TY - THES A1 - Gebert, Friederike T1 - Mammals and dung beetles along elevational and land use gradients on Mount Kilimanjaro: diversity, traits and ecosystem services T1 - Säugetiere und Dungkäfer entlang von Höhen- und Landnutzungsgradienten am Kilimandscharo: Diversität, funktionelle Merkmale und Ökosystemdienstleistungen N2 - Despite belonging to the best described patterns in ecology, the mechanisms driving biodiversity along broad-scale climatic gradients, like the latitudinal gradient in diversity, remain poorly understood. Because of their high biodiversity, restricted spatial ranges, the continuous change in abiotic factors with altitude and their worldwide occurrence, mountains constitute ideal study systems to elucidate the predictors of global biodiversity patterns. However, mountain ecosystems are increasingly threatened by human land use and climate change. Since the consequences of such alterations on mountainous biodiversity and related ecosystem services are hardly known, research along elevational gradients is also of utmost importance from a conservation point of view. In addition to classical biodiversity research focusing on taxonomy, the significance of studying functional traits and their prominence in biodiversity ecosystem functioning (BEF) relationships is increasingly acknowledged. In this dissertation, I explore the patterns and drivers of mammal and dung beetle diversity along elevational and land use gradients on Mt. Kilimanjaro, Tanzania. Furthermore, I investigate the predictors of dung decomposition by dung beetles under different extinction scenarios. Mammals are not only charismatic, they also fulfil important roles in ecosystems. They provide important ecosystem services such as seed dispersal and nutrient cycling by turning over high amounts of biomass. In chapter II, I show that mammal diversity and community biomass both exhibited a unimodal distribution with elevation on Mt.Kilimanjaro and were mainly impacted by primary productivity, a measure of the total food abundance, and the protection status of study plots. Due to their large size and endothermy, mammals, in contrast to most arthopods, are theoretically predicted to be limited by food availability. My results are in concordance with this prediction. The significantly higher diversity and biomass in the Kilimanjaro National Park and in other conservation areas underscore the important role of habitat protection is vital for the conservation of large mammal biodiversity on tropical mountains. Dung beetles are dependent on mammals since they rely upon mammalian dung as a food and nesting resource. Dung beetles are also important ecosystem service providers: they play an important role in nutrient cycling, bioturbation, secondary seed dispersal and parasite suppression. In chapter III, I show that dung beetle diversity declined with elevation while dung beetle abundance followed a hump-shaped pattern along the elevational gradient. In contrast to mammals, dung beetle diversity was primarily predicted by temperature. Despite my attempt to accurately quantifiy mammalian dung resources by calculating mammalian defecation rates, I did not find an influence of dung resource availability on dung beetle richness. Instead, higher temperature translated into higher dung beetle diversity. Apart from being important ecosystem service providers, dung beetles are also model organisms for BEF studies since they rely on a resource which can be quantified easily. In chapter IV, I explore dung decomposition by dung beetles along the elevational gradient by means of an exclosure experiment in the presence of the whole dung beetle community, in the absence of large dung beetles and without any dung beetles. I show that dung decomposition was the highest when the dung could be decomposed by the whole dung beetle community, while dung decomposition was significantly reduced in the sole presence of small dung beetles and the lowest in the absence of dung beetles. Furthermore, I demonstrate that the drivers of dung decomposition were depend on the intactness of the dung beetle community. While body size was the most important driver in the presence of the whole dung beetle community, species richness gained in importance when large dung beetles were excluded. In the most perturbed state of the system with no dung beetles present, temperature was the sole driver of dung decomposition. In conclusion, abiotic drivers become more important predictors of ecosystem services the more the study system is disturbed. In this dissertation, I exemplify that the drivers of diversity along broad-scale climatic gradients on Mt. Kilimanjaro depend on the thermoregulatory strategy of organisms. While mammal diversity was mainly impacted by food/energy resources, dung beetle diversity was mainly limited by temperature. I also demonstrate the importance of protected areas for the preservation of large mammal biodiversity. Furthermore, I show that large dung beetles were disproportionately important for dung decomposition as dung decomposition significantly decreased when large dung beetles were excluded. As regards land use, I did not detect an overall effect on dung beetle and mammal diversity nor on dung beetle-mediated dung decomposition. However, for the most specialised mammal trophic guilds and dung beetle functional groups, negative land use effects were already visible. Even though the current moderate levels of land use on Mt. Kilimanjaro can sustain high levels of biodiversity, the pressure of the human population on Mt. Kilimanjaro is increasing and further land use intensification poses a great threat to biodiversity. In synergy wih land use, climate change is jeopardizing current patterns and levels of biodiversity with the potential to displace communities, which may have unpredictable consequences for ecosystem service provisioning in the future. N2 - Gradienten der Biodiversität, wie der Breitengradient der Artenvielfalt, gehören zu den bestbeschriebenen Mustern in der Ökologie. Dennoch bleiben die Mechanismen, die diese Gradienten steuern, unzureichend untersucht. Bergmassive eignen sich aufgrund ihrer hohen Artenvielfalt, ihrer räumlichen Begrenzung, der gleichmäßigen Veränderung abiotischer Faktoren mit der Höhe und ihres weltweiten Auftretens optimal zur Erforschung der Triebkräfte globaler Biodiversitätsmuster. Jedoch werden Gebirgs-Ökosysteme vermehrt durch menschliche Landnutzung und den Klimawandel bedroht. Da der Wissenstand über die Auswirkungen solcher Veränderungen auf die Biodiversität von Bergmassiven und zugehörigen Ökosystemdienstleistungen gering ist, nimmt die Erforschung von Höhengradienten auch aus der Perspektive des Artenschutzes eine besondere Bedeutung ein. In Ergänzung zur traditionellen, auf Taxonomie beruhenden Biodiversitätsforschung, wird die Wichtigkeit der Untersuchung funktioneller Merkmale und deren Bedeutung für Beziehungen zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen (BEF) zunehmend anerkannt. In meiner Doktorarbeit untersuche ich entlang von Höhen- und Landnutzungsgradienten am Kilmandscharo (Tansania) die Muster und Triebkräfte der Artenvielfalt von Säugetieren und Dungkäfern als auch die Faktoren, die den Dungabbau durch Dungkäfer unter verschiedenen Aussterbe-Szenarien bestimmen. Säugetiere sind nicht nur charismatisch, sie nehmen auch wichtige Rollen in Ökosystemen ein. So erfüllen Säugetiere wichtige Ökosystemdienstleistungen wie die Verbreitung von Samen und sind maßgeblich am Nährstoffkreislauf durch den Umsatz großer Mengen von Biomasse beteiligt. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit stelle ich dar, dass die Diversität und Biomasse der Säugetiergemeinschaft am Kilimandscharo eine unimodale Verteilung mit der Höhe aufweist. Dieses Muster wurde vor allem durch die Nettoprimärproduktion, ein Maß für die Nahrungsverfügbarkeit der Säugetiere, und den Schutzstatus der Untersuchungsgebiete bestimmt. Aufgrund ihrer Größe und Endothermie kann man schlussfolgern, dass für Säugetiere, im Unterschied zu den meisten Arthropoden, Nahrungsverfügbarkeit die Triebkraft der Diversität darstellt. Meine Resultate bestätigen diese Vorhersage. Die signifikant höhere Diversität und Biomasse der Säugetiere im Kilmandscharo Nationalpark und in anderen geschützten Gebieten unterstreicht die Wichtigkeit des Habitatschutzes für den Erhalt der Artenvielfalt großer Säugetiere in tropischen Bergmassiven. Dungkäfer stehen in enger Beziehung zu Säugetieren, da sie Säugetierdung als Nahrungs- und Nistmaterial benötigen. Dungkäfer übernehmen ebenfalls wichtige Ökosystemdienstleistungen: Sie spielen eine bedeutende Rolle im Nährstoffkreislauf und tragen entscheidend zur Bioturbation, der sekundären Verbreitung von Samen und der Unterdrückung von Schädlingen bei. Im dritten Kapitel weise ich nach, dass die Artenvielfalt der Dungkäfer mit der Höhe abnimmt, während die Abundanz der Käfer eine eingipfelige Verteilung zeigt. Im Unterschied zu den Säugetieren wurde die Diversität der Dungkäfer vor allem durch die Temperatur gesteuert. Obwohl ich versuchte, die vorhandenen Dungressourcen der Säugetiere möglichst genau durch die Berechung des Kotabsatzes zu quantifizieren, stellte ich keinen Einfluss von Ressourcenverfügbarkeit auf die Dungkäfer-Diversität fest. Stattdessen führte eine höhere Temperatur zu erhöhter Dungkäfer-Diversität. Abgesehen von ihrer Rolle als wichtige Ökosystemdienstleister stellen Dungkäfer auch Modellorganismen für BEF-Studien dar, da sie eine leicht zu quantifizierende Ressource benötigen. Im vierten Kapitel untersuche ich den Dungabbau von Dungkäfern entlang des Höhengradienten mithilfe eines Ausschlussexperiments: in der Gegenwart der gesamten Dungkäfergemeinschaft, unter dem Ausschluss großer Dungkäfer und in der Abwesenheit aller Dungkäfer. Der Dungabbau war am größten, wenn der Abbau durch die gesamte Dungkäfergemeinschaft erfolgen konnte. Waren nur kleine Dungkäfer anwesend, waren die Dungabbauraten deutlich geringer als in der Gegenwart großer Dungkäfer, während sie im Falle des Ausschlusses aller Dungkäfer minimal wurden. Außerdem konnte ich nachweisen, dass die Triebkräfte des Dungabbaus von dem Zustand der Dungkäfergemeinschaft abhingen. Während die mittlere Körpergröße von Dungkäfern der wichtigste Faktor darstellte, wenn die Lebensgemeinschaft vollständig war, erlangte die Artenvielfalt an Bedeutung, wenn große Dungkäfer abwesend waren. Im gestörtesten Zustand des Systems, wo der Dungabbau ohne Dungkäfer erfolgte, war Temperatur der einzige Faktor, der den Dungabbau bestimmte. Abiotische Faktoren nehmen an Wichtigkeit als Triebkräfte von Ökosystemdienstleistungen zu, je mehr das System gestört ist. Zusammenfassend wird in dieser Dissertation gezeigt, dass die Triebkräfte der Artenvielfalt entlang weitreichender klimatischer Gradienten am Kilimandscharo von der thermoregulatorischen Strategie der Organismen abhängen. Während die Diversität von Säugetieren vor allem durch die Nahrungsverfügbarkeit beeinflusst wurde, wurde die Dungkäfer-Diversität vor allem durch die Temperatur gesteuert. Außerdem sind geschützte Flächen für den Erhalt der Artenvielfalt großer Säugetiere unerlässlich. Weiterhin veranschauliche ich die herausragende Bedeutung großer Dungkäfer für den Dungabbau, da letzterer deutlich abnahm, wenn große Dungkäfer ausgeschlossen wurden. Betreffend der Landnutzung war insgesamt kein Einfluss auf die Dungkäfer- oder Säugetier-Diversität oder den Dungabbau durch Dungkäfer feststellbar. Anders sah es auf Ebene der am meisten spezialisierten trophischen Gilden der Säugetiere und funktionellen Gruppen der Dungkäfer aus: Hier waren bereits negative Auswirkungen sichtbar. Obwohl unter dem derzeitigen gemäßigten Ausmaß der Landnutzung am Kilimandscharo eine hohe Artenvielfalt aufrechterhalten werden kann, steigt der Druck durch das Bevölkerungswachstum, und eine zunehmende Intensivierung der Landwirtschaft stellt eine große Bedrohung für die Biodiversität dar. Im Zusammenspiel mit der Landnutzung gefährdet der Klimawandel das Niveau und die Verteilung der Biodiversität, mit dem Potential, Gemeinschaften von Organismen zu verdrängen, was unvorhersagbare Auswirkungen auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen in der Zukunft haben könnte. KW - Kilimandscharo KW - Biodiversität KW - Säugetiere KW - Zersetzer KW - Scarabaeidae KW - Höhengradient KW - Landnutzungsgradient KW - Arten-Energy-Theory KW - Ökologie KW - Diversität KW - elevational gradient KW - land use KW - species-energy-theory KW - ecology KW - ecosystem service Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-191950 ER - TY - THES A1 - Lewerentz, Anne F. T1 - Spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes under environmental change T1 - Raum-zeitliche Dynamik der Makrophyten in bayerischen Seen unter sich ändernden Umweltbedingungen N2 - Macrophytes are key components of freshwater ecosystems because they provide habitat, food, and improve the water quality. Macrophyte are vulnerable to environmental change as their physiological processes depend on changing environmental factors, which themselves vary within a geographical region and along lake depth. Their spatial distribution is not well understood and their importance is publicly little-known. In this thesis, I have investigated the spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes to understand their diversity pattern along different scales and to predict and communicate potential consequences of global change on their richness. In the introduction (Chapter 1), I provide an overview of the current scientific knowledge of the species richness patterns of macrophytes in freshwater lakes, the influences of climate and land-use change on macrophyte growth, and different modelling approaches of macrophytes. The main part of the thesis starts with a study about submerged and emergent macrophyte species richness in natural and artificial lakes of Bavaria (Chapter 2). By analysing publicly available monitoring data, I have found a higher species richness of submerged macrophytes in natural lakes than in artificial lakes. Furthermore, I showed that the richness of submerged species is better explained by physio-chemical lake parameters than the richness of emergent species. In Chapter 3, I considered that submerged macrophytes grow along a depth gradient that provides a sharp environmental gradient on a short spatial scale. This study is the first comparative assessment of the depth diversity gradient (DDG) of macrophytes. I have found a hump-shaped pattern of different diversity components. Generalised additive mixed-effect models indicate that the shape of the DDG is influenced mainly by light quality, light quantity, layering depth, and lake area. I could not identify a general trend of the DDG within recent years, but single lakes show trends leading into different directions. In Chapter 4, I used a mechanistic eco-physiological model to explore changes in the distribution of macrophyte species richness under different scenarios of environmental conditions across lakes and with depths. I could replicate the hump-shaped pattern of potential species richness along depth. Rising temperature leads to increased species richness in all lake types, and depths. The effect of turbidity and nutrient change depends on depth and lake type. Traits that characterise “loser species” under increased turbidity and nutrients are a high light consumption and a high sensibility to disturbances. “Winner species” can be identified by a high biomass production. In Chapter 5, I discuss the image problem of macrophytes. Unawareness, ignorance, and the poor accessibility of macrophytes can lead to conflicts of use. I assumed that an increased engagement and education could counteract this. Because computer games can transfer knowledge interactively while creating an immersive experience, I present in the chapter an interactive single-player game for children. Finally, I discuss the findings of this thesis in the light of their implications for ecological theory, their implications for conservation, and future research ideas (Chapter 6). The findings help to understand the regional distribution and the drivers of macrophyte species richness. By applying eco-physiological models, multiple environmental shaping factors for species richness were tested and scenarios of climate and land-use change were explored. N2 - Makrophyten sind wichtige Bestandteile des Lebensraums See. Sie schaffen Habitate und verbessern die Wasserqualität, sind in der Öffentlichkeit jedoch kaum bekannt. Makrophyten sind sehr anfällig für Umweltveränderungen, da ihre physiologischen Prozesse von Umweltfaktoren abhängen, die ihrerseits innerhalb einer geografischen Region und entlang der Seetiefe variieren. Diese Arbeit untersucht die räumlich-zeitliche Dynamik von Makrophyten in bayerischen Seen, um die Muster ihrer Artenvielfalt auf verschiedenen Skalen zu verstehen und um die Folgen von Klima- und Landnutzungswandel auf ihre Artenvielfalt zu untersuchen. Die Einleitung (Kapitel 1) gibt einen Überblick über den aktuellen Wissensstand zur Artenvielfalt von Makrophyten in Seen, zu Einflüssen von Klima- und Landnutzungswandel auf das Wachstum von Makrophyten, sowie zu verschiedenen Modellierungsansätzen von Makrophyten. Der Hauptteil der Arbeit beginnt mit der Analyse (Kapitel 2) der submersen und emergenten Makrophytenvielfalt in natürlichen und künstlichen Seen Bayerns. Mit Hilfe von öffentlich zugänglichen Monitoringdaten konnte gezeigt werden, dass es mehr submerser Makrophyten in natürlichen Seen als in künstlichen Seen gibt und dass sich die Anzahl an submersen Makrophyten je See besser mit physiko-chemischen Parametern erklären lässt als die von emergenten Arten. In Kapitel 3 wird die Verteilung der Artenvielfalt von submersen Makrophyten entlang des Tiefengradienten be-trachtet. Entlang der Tiefe ändern sich physikalisch-chemische Parameter auf einer kurzen räumli-chen Skala. Diese Studie ist die erste vergleichende Untersuchung des Tiefen-Diversitätsgradienten (DDG) von Makrophyten. Der DDG von verschiedenen Diversitätskomponenten verläuft buckelförmig. „Generalised additive mixed-effect models“ deuten darauf hin, dass die Form des DDG hauptsächlich von der Lichtqualität, der Lichtmenge, der Schichtungstiefe und der Fläche des Sees beeinflusst wird. Die Daten zeigen keine verallgemeinerbare Veränderung des höckerförmigen DDGs in den letzten Jahren. In einzelnen Seen gibt es jedoch Trends. In Kapitel 4 wird mit einem mechanistischen, ökophysiologischen Makrophyten-Wachstums-Modell (MGM) die potenziellen Veränderungen in der Verbreitung von Makrophyten unter verschiedenen Klima- und Landnutzungsszenarien untersucht. Durch die Anwendung von MGM konnte das höckerförmige Muster des DDG repliziert werden. Unterschiede zum kartierten Artenreichtum lassen sich wahrscheinlich durch nicht modellierte Prozesse wie Konkurrenz und Umweltheterogenität innerhalb des Sees erklären. Steigende Temperaturen führen zu einer Zunahme des Artenreichtums in allen Seetypen, Artengruppen und Tiefen. Die Auswirkungen von Trübungen und Nährstoffveränderungen hängen von der Tiefe und dem Seetyp ab. Merkmale, die unter erhöhter Trübung und Nährstoffgehalt "Verlierer-Arten" kennzeichnen, sind ein hoher Lichtverbrauch und eine hohe Störungsempfindlichkeit, während "Gewinner-Arten" diejenigen sind, die eine hohe Biomasseproduktion aufweisen. Kapitel 5 stellt das Imageproblem von Makrophyten dar. Unkenntnis, Unwissenheit und die schlechte Zugänglichkeit können zu Nutzungskonflikten führen. Es ist anzunehmen, dass ein verstärktes Engagement und Aufklärung dem entgegenwirken könnten. Da Computerspiele eine Möglichkeit sind, Wissen interaktiv zu transportieren und ein immersives Erlebnis zu schaffen, wird in diesem Kapitel das entwickelte Spiel bioDIVERsity vorgestellt. Abschließend werden die Ergebnisse im Hinblick auf ihre Bedeutung für ökologische Theorien, ihre Auswirkungen auf den Naturschutz und zukünftige Forschungsideen diskutiert (Kapitel 6). Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die regionale Verbreitung und die Treiber einer oft übersehenen Artengruppe zu verstehen. Durch die Anwendung öko-physiologischer Modelle konnten verschiedene Einflussfaktoren auf den Artenreichtum von Makrophyten getestet und Szenarien von Klima- und Landnutzungswandel erforscht werden. KW - Ökologie KW - Makrophyten KW - Biologisches Modell KW - Klimaänderung KW - Artenreichtum KW - Ecology KW - Macrophytes KW - Global change KW - Species richness KW - Mechanistic model Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287700 ER - TY - JOUR A1 - Helmer, Philipp A1 - Hottenrott, Sebastian A1 - Steinisch, Andreas A1 - Röder, Daniel A1 - Schubert, Jörg A1 - Steigerwald, Udo A1 - Choorapoikayil, Suma A1 - Meybohm, Patrick T1 - Avoidable blood loss in critical care and patient blood management: scoping review of diagnostic blood loss JF - Journal of Clinical Medicine N2 - Background: Anemia remains one of the most common comorbidities in intensive care patients worldwide. The cause of anemia is often multifactorial and triggered by underlying disease, comorbidities, and iatrogenic factors, such as diagnostic phlebotomies. As anemia is associated with a worse outcome, especially in intensive care patients, unnecessary iatrogenic blood loss must be avoided. Therefore, this scoping review addresses the amount of blood loss during routine phlebotomies in adult (>17 years) intensive care patients and whether there are factors that need to be improved in terms of patient blood management (PBM). Methods: A systematic search of the Medline Database via PubMed was conducted according to PRISMA guidelines. The reported daily blood volume for diagnostics and other relevant information from eligible studies were charted. Results: A total of 2167 studies were identified in our search, of which 38 studies met the inclusion criteria (9 interventional studies and 29 observational studies). The majority of the studies were conducted in the US (37%) and Canada (13%). An increasing interest to reduce iatrogenic blood loss has been observed since 2015. Phlebotomized blood volume per patient per day was up to 377 mL. All interventional trials showed that the use of pediatric-sized blood collection tubes can significantly reduce the daily amount of blood drawn. Conclusion: Iatrogenic blood loss for diagnostic purposes contributes significantly to the development and exacerbation of hospital-acquired anemia. Therefore, a comprehensive PBM in intensive care is urgently needed to reduce avoidable blood loss, including blood-sparing techniques, regular advanced training, and small-volume blood collection tubes. KW - PBM KW - critically ill KW - intensive care KW - iatrogenic anemia KW - avoidable blood loss KW - diagnostic blood loss Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255145 SN - 2077-0383 VL - 11 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Djaković, Lara T1 - The HSV-1 ICP22 protein selectively impairs histone repositioning upon Pol II transcription downstream of genes T1 - Das HSV-1 ICP22 Protein stört selektiv die Repositionierung von Histonen bei der Transkription durch Pol-II unterhalb von Genen N2 - Herpes Simplex Virus type 1 (HSV-1) is an ubiquitous neurotropic human pathogen that infects a large majority of the world’s population. It is the causative agent of the common cold sore but also responsible for life-threatening infections (e.g., encephalitis), particularly in immunocompromised individuals and neonates. Like other herpesviruses, HSV-1 takes over the cellular RNA machinery to facilitate productive infection while efficiently shutting down host gene expression by targeting multiple steps of RNA metabolism. The two viral proteins, vhs and ICP27, play a crucial role in this process. Delivered by the tegument of the incoming virus, the virion host shut-off (vhs) endonuclease rapidly starts cleaving both cellular and viral mRNAs. With the onset of viral gene expression, the HSV-1 immediate-early protein ICP27 promotes the expression of viral early and late genes through various mechanisms, including mRNA processing, export, and translation. Prior research by the Dölken lab demonstrated that lytic HSV-1 infection results in the disruption of transcription termination (DoTT) of most cellular genes by the viral ICP27 protein. This significantly contributes to HSV-1 induced host shut-off. DoTT results in transcription for tens of thousands of nucleotides beyond poly(A) sites and into downstream genes. Interestingly, this was found to be accompanied by a dramatic increase in chromatin accessibility downstream of the affected poly(A) sites. This is consistent with the formation of extensive downstream open chromatin regions (dOCR) and indicative of impaired histone repositioning in the wake of RNA polymerase II (Pol II) downstream of the affected poly(A) sites. In my PhD thesis, I demonstrate that dOCR formation is dependent on the viral ICP22 protein when poly(A) read-through transcription is triggered by the ectopic expression of ICP27 or salt stress. I show that dOCR formation occurs when a high level of transcriptional activity arises downstream of genes due to the HSV-1-induced DoTT. To investigate whether histone composition is affected downstream of genes, I established the ChIPmentation approach to study associated changes and the influence of DoTT and dOCR formation on major histone modification marks. In HSV-1 WT infection, dOCR formation was reflected in alterations of canonical H1 histone downstream of affected genes, which was absent in ICP22 infection. To elucidate the underlying molecular mechanism, two major histone chaperones SPT6 and FACT (SPT16 and SSRP1), which govern histone repositioning and may thus play a role in H1 homeostasis, were extensively studied. Both histone chaperones have been recently shown to be recruited to the viral genome by interactions with ICP22 protein. To investigate whether the depletion of SSRP1 or SPT6 would complement the loss of ICP22 to induce dOCR, T-HF cells with doxycycline-inducible knock-down of either of the two factors were generated. ATAC-seq analysis revealed that the interaction between the two histone chaperones and ICP22 is not involved in HSV-1-induced dOCR formation, suggesting the involvement of other proteins. In summary, this work sheds new light on a fundamental molecular mechanism of the cellular transcriptional machinery that is manipulated by the concerted actions of the two HSV-1 immediate-early proteins ICP22 and ICP27. N2 - HSV-1 ist ein weit verbreitetes, neurotropisches Virus, mit welchem ein Großteil der Weltbevölkerung infiziert ist. Es verursacht milde Infektionen wie Herpes labialis, aber kann auch lebensbedrohliche Infektionen des Nervensystems (z. B. Enzephalitis) in immunsupprimierten Menschen und Neugeborenen auslösen. Um sich lytisch zu vermehren, programmiert HSV-1 die Transkriptions- und Translationsmaschinerie der Zelle effizient um und hemmt gleichzeitig an mehreren Punkten zelluläre Genexpression. Zwei virale Proteine, vhs und ICP27, spielen dabei eine entscheidende Rolle. Vhs wird im Tegument des Virions mit dem Inokulum in die Zelle geliefert und baut so zelluläre Transkripte ab noch bevor virale Genexpression startet. ICP27 wird also sogenanntes „immediate-early“ Gen als eines der ersten viralen Proteine exprimiert und kann unterstützt auf mehreren Ebenen (RNA Prozessierung, Export und Translation) die Expression der viralen „early“ und „late“ Gene. Unsere Gruppe hat diesbezüglich gezeigt, dass die Terminierung der Transkription (sogenanntes „DoTT“) durch das virale Protein ICP27 in der lytischen Infektion gestört wird. Dies trägt maßgeblich zur Abschaltung der zellulären Genexpression bei. Die Störung der Terminierung führt dazu, dass RNA Polymerase II bis zu >100 Kilobasen nach dem Polyadenylierungssignal weiter transkribiert. Durch die Aktivität der RNA Polymerase II wird in den 3‘ Regionen der betroffenen Gene das Chromatin gelockert (sogenanntes „dOCR“). Dies steht im Einklang mit einer Öffnung des Chromatins durch gehemmte Histon-Neupositionierung, verursacht durch die Transkription der betroffenen Genomregionen. Im Rahmen meiner Doktorarbeit konnte ich mittels Hochdurchsatzsequenzieranalyse von Transposon-zugänglichem Chromatin (ATAC-seq) zeigen, dass offenes Chromatin durch das virale Protein ICP22 verursacht wird. Dieser Effekt konnte unterdessen nur beobachtet werden, wenn die Terminierung der Transkription, entweder durch die gleichzeitige Expression von ICP27 oder stressinduziert z.B. durch hypertonen Lösungen, gestört wurde. Das Ausmaß an offenem Chromatin korrelierte dabei mit der Transkriptionsaktivität der entsprechenden Genomregionen. Durch bioinformatische Analysen von Hochdurchsatzsequenzierungen von Wildtyp Virus und ICP22-defizitären Mutanten infizierten Zellen konnte ich einen Cluster von stark exprimierten Genen mit ausgeprägter DoTT identifizieren, der besonders stark von der Chromatinöffnung betroffen war. Um zu testen, ob die Histone in den betroffenen Regionen durch die Induktion von dOCR verändert wurden, habe ich ein neues Chromatin-Immunpräzipitations Verfahren namens ChIPmentation etabliert und hiermit die mit der Induktion von dOCR assoziierten Histonvarianten untersucht. Dabei fiel auf, dass das H1 Histon gezielt in von dOCR betroffenen Regionen verloren ging. Um den zu Grunde liegenden Mechanismus zu untersuchen, habe ich die Rolle der beiden Histonchaperonen SPT6 und FACT (SPT16 und SSRP1) ausgiebig charakterisiert. Diese regulieren normalerweise die Repositionierung von Histonen im Zuge der Pol II Transkription. Beide Faktoren werden zudem durch ICP22 in die viralen DNA Replikationzentren im Nukleus rekrutiert, was den Positionierungsdefekt von H1 hervorrufen könnte. Um diese Hypothese zu testen, wurden beide Proteine durch induzierbare shRNA Knockdowns depletiert und mittels ATAC-seq untersucht, ob dies in der Infektion mit ICP22-defizitären Mutanten zur Öffnung des Chromatin führt. Hierbei zeigte sich allerdings, dass die Depletion dieser beider Histonchaperone kein offenes Chromatin bei Infektion mit der ICP22 Knockout Mutante erzeugt. Zudem fiel auf, dass SSRP1 selektiv dazu beitrug, Chromatin in transkribierten Regionen geschlossen zu halten. Offensichtlich spielen daher die beiden Histonchaperonen keine Rolle bei der ICP22-induzierten Öffnung des zellulären Chromatins unterhalb von Genen. KW - HSV-1 KW - Open chromatin KW - ICP22 KW - Read-through transcription Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-246709 ER - TY - THES A1 - Liesner, Marvin Paul T1 - I control it, but does it mean it is part of me? How the relationship between body movements and controlled object movements influences the sense of agency and the sense of ownership T1 - Ich kontrolliere es, aber ist es deshalb ein Teil von mir? Wie die Umsetzung von Körperbewegungen in Bewegungen von kontrollierten Objekten Sense of agency und Sense of ownership beeinflusst N2 - The “active self” approach suggests that any object we manipulate voluntarily and foreseeably becomes part of our “self” in the sense that we feel control over this object (sense of agency) and experience it as belonging to our own body (sense of ownership). While there is considerable evidence that we can indeed experience both a sense of agency and a sense of ownership over a broad variety of objects when we control these through our actions, the approach has also been criticized for exaggerating the flexibility of the human self. In this thesis, I investigate the influence that the relationship between the body movements controlling an object and the movements of the object itself has on the process of integrating an object into the self. I demonstrate that fully controlling an object is not sufficient for it to be integrated into the self since both explicit and implicit measures of the sense of agency and the sense of ownership indicate less or no integration when body movements are transformed into inverted object movements. Furthermore, I show that such inversions lead to the downregulation of sensory signals either from the body or from the controlled object in order to deal with the conflicting multisensory information when performing such actions. I argue that this downregulation is the underlying factor behind the diminished or eliminated integration of inverted body and object movements and I discuss further pathways for possible future studies building up on these findings. N2 - Der “Active Self”-Ansatz sagt aus, dass jedes Objekt, welches wir willentlich und vorhersehbar manipulieren, Teil unseres „Selbst“ wird in dem Sinne, dass wir Kontrolle über dieses Objekt empfinden (Sense of agency) und es als zu unserem eigenen Körper zugehörig erleben (Sense of ownership). Während es eine beträchtliche Menge an Evidenz dafür gibt, dass wir tatsächlich sowohl Sense of agency als auch Sense of ownership für eine breite Vielfalt an Objekten empfinden können, wenn wir diese durch unsere Handlungen kontrollieren, wurde der Ansatz auch dafür kritisiert die Flexibilität des menschlichen Selbst über zu strapazieren. In dieser Arbeit untersuche ich den Einfluss, den die Beziehung zwischen den Körperbewegungen, welche ein Objekt kontrollieren, und den Bewegungen des Objekts selbst auf den Integrationsprozess eines Objekts in das Selbst hat. Ich demonstriere, dass ein Objekt vollständig zu kontrollieren nicht ausreichend ist, damit es in das Selbst integriert wird, da sowohl explizite als auch implizite Maße für Sense of agency und Sense of ownership weniger oder keine Integration zeigen, wenn Körperbewegungen in invertierte Objektbewegungen transformiert werden. Darüber hinaus zeige ich, dass solche Invertierungen zur Herunterregulierung sensorischer Signale entweder vom Körper oder vom kontrollierten Objekt führen, um mit der konfligierenden multisensorischen Information umzugehen, wenn solche Handlungen ausgeführt werden. Ich argumentiere, dass diese Herunterregulierung der zugrundeliegende Faktor ist für die verringerte oder eliminierte Integration invertierter Körper- und Objektbewegungen und ich diskutiere weitere Richtungen für mögliche zukünftige Studien, die auf diesen Befunden aufbauen. KW - Experimentelle Psychologie KW - Kognitive Psychologie KW - Ideomotorik KW - Sense of agency KW - Sense of ownership KW - Ideomotor KW - Active self KW - Multisensory integration KW - Tactile suppression KW - Tactile gating Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287030 ER - TY - THES A1 - Oberndorfer, Florian T1 - Photoluminescence and Raman spectroscopy of doped nanomaterials T1 - Photolumineszenz und Raman Spektroskopie an dotierten Nanomaterialien N2 - This thesis includes measurements that were recorded by cooperation partners. The EPR spec‐ trosa mentioned in section 5.2 were recorded by Michael Auth from the Dyakonov Group (Ex‐ perimental Physics VI, Julius‐Maximilians‐Universität, Würzburg). The TREFISH experiments and transient absorption in section 5.4 spectra were performed by Jašinskas et al. from the V. Gulbi‐ nas group (Center for Physical Sciences and Technology, Vilnius, Lithuania). This dissertation investigated the interactions of semiconducting single‐walled carbon nanotubes (SWNTs) of (6,5) chirality with their environment. Shear‐mixing provided high‐quality SWNT sus‐ pensions, which was complemented by various film preparation techniques. These techniques were in turn used to prepare heterostructures with MoS2 and hBN, which were examined with a newly constructed photoluminescence microscope specifically for this purpose. Finally, the change of spectral properties of SWNTs upon doping was investigated in more detail, as well as the behaviour of charge carriers in the tubes themselves. To optimise the SWNT sample preparation techniques that supplied the other experiments, the sample quality of shear‐mixed preparations was compared with that of sonicated samples. It was found that the quantum efficiency of sheared suspensions exceeds that of sonicated suspensions as soon as the sonication time exceeds 30 min. The higher PLQY is due to the lower defect concentration in shear‐mixed samples. Via transient absorption, a mean lifetime of 17.3 ps and a mean distance between defects of 192.1 nm could be determined. Furthermore, it was found that the increased efficiency of horn sonication is probably not only due to higher shear forces acting on the SWNT bundles but also that the shortening of PFO‐BPy strands plays a significant role. Sonication of very long polymer strands significantly increased their effectiveness in shear mixing. While previous approaches could only achieve very low concentrations of SWNTs in suspensions, pre‐sonicated polymer yielded results which were comparable with much shorter PFO‐BPy batches. Reference experiments also showed that different aggregation processes are relevant during production and further processing. Initial reprocessing of carbon nanotube raw material requires 7 h sonication time and over 24 h shear mixing before no increase in carbon nano concentration is detectable. However, only a few minutes of sonication or shear mixing are required when reprocessing the residue produced during the separation of the slurry. This discrepancy indicates that different aggregates are present, with markedly different aggregation properties. To study low‐dimensional heterostructures, a PL microscope was set up with the ability to ob‐ serve single SWNTs as well as monolayers of other low‐dimensional systems. Furthermore, sam‐ ples were prepared which bring single SWNTs into contact with 2D materials such as h‐BN andMoS2 layers and the changes in the photoluminescence spectrum were documented. For h‐BN, it was observed whether previous methods for depositing SWNTs could be transferred for photo‐ luminescence spectroscopy. SWNTs were successfully deposited on monolayers via a modified drip coating, with the limitation that SWNTs aggregate more at the edges of the monolayers. Upon contact of SWNTs with MoS2, significant changes in the emission properties of the mono‐ layers were observed. The fluorescence, which was mainly dominated by excitons, was shifted towards trion emission. Reference experiments excluded PFO‐BPy and toluene as potential causes. Based on the change in the emission behaviour of MoS2, the most plausible explanation is a photoinduced charge transfer leading to delocalised charge carriers on MoS2. In contrast, on SWNTs, the introduction of additional charges would constitute a quenching centre, which would quench their PL emission, making them undetectable in the PL image. In the last chapter, the electronic properties of doped SWNTs and the behaviour of charge carri‐ ers inside the tubes should be investigated. First, the change in the conductivity of SWNT films with increasing doping levels was docu‐ mented. The resistance of the films drops drastically at minimum doping. After the initial in‐ troduction of charges, the resistance drops with increasing dopant concentration according to a double logarithmic curve. The initial drop could be due to a reduction of contact resistances within the SWNT network film, but this could not be further investigated within the scope of this PhD thesis. In cooperation with Andreas Sperlich and Michael Auth, the spin concentration of SWNTs at different doping levels was determined. The obtained concentrations were compared with the carrier concentrations determined from PL and absorption spectra. At low spin densities, good agreement with previous models was found. Furthermore, the presence of isolated spins strongly suggests a localised charge carrier distribution at temperatures around 10 K. When the charge density is increased, the spin density deviates significantly from the charge carrier con‐ centration. This discrepancy is attributed to the increasing delocalisation of charge carriers at high charge densities and the interactions of neighbouring spins. These results strongly indicate the existence of localised charge carriers in SWNTs at low temperatures. Next, the effect of doping on the Raman spectra of SWNT suspensions was investigated. In gen‐ eral, doping is expected to reduce the intensity of the Raman bands, i.e. a consequence of the reduced resonance gain due to bleaching of the S2 transition. However, similar to the resistivity measurements, the oscillator strength of the G+ band drops sharply in the first doping steps. It was also found that the G+ band decreases more than would be expected due to loss of reso‐ nance condition. Furthermore, the G‐ is bleached faster than the G+ band. All these anomalies suggest that resonance enhancement is not the only relevant effect. Another much faster deac‐ tivation path for the excitons may be introduced by doping. This would leave less time for the scattering process to occur and reduce the oscillator strength of the Raman bands. In cooperation with Vidmantas et al., the photoinduced charge carrier behaviour of SWNT/PCBM films was investigated. The required films were prepared by drop coating. The SWNT suspen‐ sions required for this were obtained from sheared SWNT preparations. Using transient absorp‐ tion and TREFISH, a number of charge transfer effects were identified and their dynamics in‐ vestigated: the recombination of neutral excitons (< 50 ps), the electron transfer from carbon nanotubes to PCBM molecules (< 1 ps), the decay of charge‐transfer excitons (∼200 ps), the recombination of charge carriers between charge‐transfer excitons (1 ns to 4 ns) and finally the propagation through the SWNT network (∼20 ns) N2 - Diese Arbeit beinhaltet Messungen, die von Kooperationspartnern durchgeführt wurden. Die in Abschnitt 5.2 erwähnten EPR‐Spektren wurden von Michael Auth aufgenommen. Die TREFISH‐ Experimente und die transiente Absorption im Abschnitt 5.4‐Spektren wurden von Jašinskas et al. durchgeführt. Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Wechselwirkungen von halbleitenden, einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs) der (6,5) Chiralität mit ihrer Umgebung untersucht. Dies wurde durch Einsatz von Schermischen als Präparationsmethode, sowie einer Reihe von Filmpräpa‐ rationstechniken ermöglicht. Diese Techniken wurden wiederum eingesetzt, um Heterostruk‐ turen mit MoS2 und hBN herzustellen, welche mit einem eigens dafür aufgebauten Photolu‐ mineszenzmikroskop untersucht wurden. Schlussendlich wurde die Änderung der spektralen Eigenschaften von SWNTs bei Dotierung näher untersucht, ebenso wie das Verhalten von Ladungs‐ trägern in den Röhren selbst. Die EPR Spektren die im Abschnitt 5.2 aufgeführt sind wurden von Michael Auth aufgenommen. Die TREFISH Experimente und die dazugehörigen transienten Ab‐ sorptions Spektren wurde von Jašinskas et al. durchgeführt. Für die Herstellung der benötigten SWNT‐Proben wurde die Probenqualität von geschermis‐ chten Ansätzen mit deren von beschallten Proben verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Quanteneffizienz von geschermischten die von beschallten deutlich übersteigt, sobald die Beschallungszeit 30 min überschreitet. Dies ist auf die geringere Defektkonzentration in gescher‐ mischten Proben zurückzuführen. Über transiente Absorption konnte eine mittlere Lebensdauer von 17.3 ps und ein mittlerer Abstand zwischen Defekten von 192.1 nm bestimmt werden. Ferner wurde festgestellt, dass die erhöhte Effizienz von Horn‐Beschallung wahrscheinlich nicht nur auf höhere Scherwirkung an den SWNT‐Bündeln liegt, sondern auch die Verkürzung von PFO‐ BPy Strängen eine erhebliche Rolle spielt. Die Beschallung von sehr langen Polymer‐Strängen hat deren Effektivität bei Schermischen deutlich erhöht. Während bei vorherigen Ansätzen nur sehr geringe Konzentration an SWNTs in Suspensionen erreicht werden könnten, konnte mit vor‐beschallten Polymer vergleichbare Ergebnisse wie mit wesentlich kürzeren PFO‐BPy Char‐ gen erreicht werden. Referenzexperimente zeigten außerdem, dass verschiedene Aggregation‐ sprozesse bei der Herstellung und Weiterverarbeitung relevant sind. Bei der initialen Aufar‐ beitung von Kohlenstoffnanorohr Rohmaterial sind 7 h Beschallungszeit und über 24 h Schermis‐ chen erforderlich, bevor keine Erhöhung der Kohlenstoffnano‐Konzentration mehr feststellbar ist. Bei Wiederaufarbeitung des bei der Abtrennung des Suspension entstandenen Rückstands sind allerdings nur wenige Minuten Beschallung oder Schermischen notwendig. Dies deutet darauf hin, dass grundlegend unterschiedliche Aggregate vorliegen, mit deutlich anderen Aggre‐ gationseigenschaften. Um nieder‐dimensionale Heterostrukturen zu untersuchen wurde ein PLE‐Mikroskop aufgebaut, mit der Fähigkeit einzelne SWNTs, sowie Monolagen andere nieder‐dimensionale Systeme zu un‐ tersuchen. Weiterhin wurde Proben hergestellt welche einzelne SWNTs mit 2D‐Materialien wie h‐BN und MoS2 Schichten in Kontakt bringen und der Änderungen im Photolumineszenz Spek‐ trum dokumentiert. Für h‐BN wurde beobachtet, ob bisherige Methoden zur Ablagerung von SWNTs für Photolumineszenz‐Spektroskopie übertragen werden können. Dabei wurde beobachtet, dass über eine modifizierte Tropfbeschichtung SWNTs auf Monolagen abgelagert werden kön‐ nen, mit der Einschränkung, dass an den Kanten der Monolagen SWNT verstärkt aggregieren. Bei Kontakt von SWNTs mit MoS2 wurden erhebliche Änderungen in den Emissionseigenschaften der Monolagen beobachtet. Die hauptsächlich von Exzitonen dominierte Fluoreszenz wurde hin zu Trion‐Emission verschoben. Referenzexperimente schlossen PFO‐BPy und Toluol als poten‐ zielle Ursachen aus. Basierend auf der Änderung des Emissionsverhaltens von MoS2, ist die plau‐ sibelste Erklärung ein photoinduzierter Ladungstransfer, welcher zu delokalisierten Ladungsträgern auf MoS2 führt. Hingegen auf SWNTs würde die Einführung zusätzlicher Ladungen ein Löschzen‐ trum darstellen, was deren PL Emission weitestgehend unterdrücken würde. Im letzten Kapitel sollten die elektronischen Eigenschaften von dotierten SWNTs und das Verhal‐ ten von Ladungsträgern innerhalb der Röhren untersucht werden. Zunächst wurden die Veränderung in der Leitfähigkeit von SWNT‐Filmen bei zunehmenden Dotier‐ ungsgrad dokumentiert. Dabei wurde beobachtet, dass der Widerstand der Filme bei minimaler Dotierung drastisch abfällt. Nach dem ersten Einbringen von Ladungen fällt der Widerstand mit steigender Dotiermittelkonzentration gemäß eines doppel‐logarithmischen Verlaufs. Der initiale Abfall könnte an einer Verringerung von Kontaktwiderständen innerhalb des SWNT‐Netzwerk‐ Films liegen, allerdings konnte dies nicht in Rahmen dieser Doktorarbeit geklärt werden. Im Rahmen einer Kooperation mit Andreas Sperlich und Michael Auth wurde dabei die Spinkonzen‐ tration von SWNTs bei verschiedene Dotierungsgraden untersucht. Die erhaltenen Konzentra‐ tionen wurden mit den Ladungsträger‐Konzentration, die aus PL und Absorptionsspektren bes‐ timmt wurden, verglichen. Bei niedrigen Spin‐Dichten zeigte sich eine gute Übereinstimmung mit bisherigen Modellen. Ferner, deutet die Präsenz von isolierten Spins stark auf eine lokalisierte Ladungsträger‐Verteilung bei Temperaturen um 10 K hin. Bei Erhöhung der Ladungsdichte we‐ icht die Spindichte erheblich von der Ladungsträger‐Konzentration. Diese Diskrepanz wird auf die zunehmende Delokalisierung der Ladungsträger bei hohen Ladungsdichten zurückgeführt. Delokalisierte Spins sind nicht detektierbar in EPR Methoden. Diese Resultate sind ein starkes Indiz für das Vorhandensein von lokalisierten Ladungsträgern in SWNTs bei niedrigen Tempera‐ turen. Als Nächstes wurde der Effekt von Dotierung auf die Raman Spektren von SWNT Suspensionen untersucht. Generell wird erwartet, dass Dotierung die Intensität der Raman‐Banden verringert, also Folge der verringerten Resonanzverstärkung durch Bleichen des S2 Übergangs. Allerdings wurde ähnlich wie bei den Widerstandsmessungen ein starker Abfall in der Oszillatorstärke der G + ‐Bande bei den ersten Dotierungsschritten festgestellt. Weiterhin wurde festgestellt, dass die G + Band stärker abnimmt, als durch Verlust der Resonanzbedingung zu erwarten wäre. Außer‐ dem wird die G‐ stärker gebleicht als die G+ Bande. All diese Anomalien deuten darauf hin, dass die Resonanzverstärkung nicht der einzige relevante Effekt ist. Möglicherweise spielt eine beschleunigte Deaktivierung der Exzitonen über durch Dotierung eingebrachte Defekte eine entscheidende Rolle. In Kooperation mit der Gruppe um Vidmantas et al. wurde das photoinduzierte Ladungsträger‐ Verhalten von SWNT/PCBM Filmen untersucht. Die dazu benötigten Filme wurden über Tropf‐ beschichtung hergestellt. Die dazu notwendingen SWNT‐Suspensionen stammen aus gescher‐ mischten SWNT‐Ansätzen. Über transiente Absorption und TREFISH konnten eine Reihe von Ladungstransfer‐Effekten identifiziert un deren Dynamik untersucht werden: die Rekombination von neutralen Exzitonen (50 ps, den Elektronentransfer von Kohlenstoffnanoröhren auf PCBM Moleküle (< 1 ps), den Zerfall von Ladungstransfer‐Exzitonen (∼200 ps), die Rekombination von Ladungsträgern zwischen Ladungstransfer‐Exzitonen (1 ns to 4 ns) und schließlich die Propaga‐ tion durch das SWNT‐Netzwerk (∼20 ns)) KW - Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre KW - Spektroskopie KW - Dotierung KW - Fluoreszenzmikroskopie KW - Raman-Spektroskopie KW - Nanomaterialien KW - Ladungsträger-Charakterisierung KW - Nanomaterials KW - Charge carrier characterization Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-278540 ER - TY - THES A1 - Merz, Viktor T1 - Funktionalisierung und Untersuchung von Nanodiamanten für biomedizinische und sensorische Anwendungen T1 - Functionalization and Investigation of Nanodiamonds for Biomedical and Sensor Applications N2 - Nanodiamant (ND) ist ein vielseitiges und vielversprechendes Material für Bio-Anwendungen. Trotz vieler Bemühungen bleibt die Agglomeration von Nanodiamant und die unspezifische Adsorption von Proteinen an der ND-Oberfläche bei Kontakt mit Bioflüssigkeiten ein großes Hindernis für biomedizinische Anwendungen. Eine Auswahl verzweigter und linearer Moleküle mit überlegener Fähigkeit zur kolloidalen Stabilisierung von Nanopartikeln in Salz- und Zellmedienumgebung, für bis zu 30 Tage, wurde an die ND-Oberfläche angebracht. Das Baukastensystem mit Azid als Außengruppen bietet eine große Vielfalt an Bindungen mit vielen Molekülen, wie z. B. Medikamenten, Farbstoffen oder Targeting-Molekülen. Das Anhängen von z. B. Zwitterionen an die Kette schützt die ND-Oberfläche vor der Bildung einer Proteinkorona, wenn die Partikel mit proteinhaltigen Bioflüssigkeiten in Kontakt kommen. Die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse der Beladung der ND-Oberfläche zeigen eine signifikante Verhinderung der Proteinadsorption von bis zu 98 % im Vergleich zu NDs ohne zwitterionische Kopfgruppen und eine lange kolloidale Stabilität, wenn Tetraethylenglykol (TEG) an die Oberfläche gebunden wird. Die Vielseitigkeit des modularen Systems, um nicht nur zwitterionische Ketten, sondern auch klickbare funktionelle Moleküle an fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) zu binden, zeigt das Potenzial des Systems am Nanodiamanten. Unter Verwendung von Defektstrukturen, wie Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV), können Diamantpartikel aufgrund ihres weitgehend ungiftigen Verhaltens als fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) für photostabile Markierung, Bioimaging und nanoskalige Sensorik in lebenden Zellen und Organismen verwendet werden. Um die fND-Oberfläche zu funktionalisieren, wurde eine neuartige Mahltechnik mit Diazoniumsalzen etabliert, um ein Pfropfen auf wenig reaktive HPHT-fNDs durchzuführen, was zu einer hohen Oberflächenbeladung und einem hohen negativen Zetapotenzial führt. Die Kombination der Vorteile von TEG und zwitterionhaltigen Gruppen mit der Fähigkeit zum Targeting von Antikörpern auf fND bestätigt zum ersten Mal die verbesserte kolloidale Stabilität in Experimenten mit lebenden Zellen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse auf eine verbesserte Corona-Abstoßung im Vergleich zu fND ohne zwitterionhaltige Kopfgruppen hin. Infolgedessen wurden die Zirkulationszeiten von 4 (fND ohne Zwitterionenkette, aber mit Antikörper) auf 17 (mit Antikörper und Zwitterionenketten) Stunden vergrößert. In nicht-biomedizinischen Anwendungen kann das modulare System als Sonde für Schwermetalle durch die Anbindung von Farbstoffen verwendet werden. Die Detektion von Metallen in verschiedenen Umgebungen mit hoher Selektivität und Spezifität ist eine der Voraussetzungen für den Kampf gegen die Umweltverschmutzung mit diesen Elementen. Pyrene sind gut geeignet und weit bekannt für die Fluoreszenzsensorik in verschiedenen Medien. Das angewandte Sensorprinzip beruht typischerweise auf der Bildung von intra- und intermolekularen Excimeren, was jedoch den Empfindlichkeitsbereich aufgrund der Maskierung von z.B. Quenching-Effekten durch die Excimer-Emission einschränkt. Diese Studie zeigt einen hochselektiven, strukturstabilen chemischen Sensor, der auf der monomeren Fluoreszenz von Pyrenanteilen mit Triazolgruppen basiert. Dieser Sensor kann Cu2+, Pb2+ und Hg2+ in organischen Lösungsmitteln über einen weiten Konzentrationsbereich quantitativ nachweisen, auch in Gegenwart von ubiquitären Ionen wie Na+, K+, Ca2+ und Mg2+. Die stark emittierende Fluoreszenz des Sensors mit einer langen Lebensdauer von 165 ns wird durch eine 1:1-Komplexbildung bei Zugabe von Metallionen in Acetonitril gelöscht. Bei Zugabe eines zehnfachen Überschusses des Metallions zum Sensor bilden sich Agglomerate mit einem Durchmesser von etwa 3 nm. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen im System werden konventionelle lineare Korrelationen nicht für alle Konzentrationen beobachtet. Daher wird ein kritischer Vergleich zwischen der konventionellen Job-Plot-Interpretation, der Methode von Benesi-Hildebrand und einem nicht-linearen Fit vorgestellt. Das vorgestellte System ermöglicht die spezifische und robuste Erfassung von medizinisch und ökologisch relevanten Ionen im gesundheitsrelevanten nM-Bereich und könnte z. B. zur Überwachung der entsprechenden Ionen in Abfallströmen eingesetzt werden. Doch häufig landen diese Abfallströme in empfindlichen Aquakulturen, wo eine solche Sensortechnik nur funktioniert, wenn die Sonde wasserlöslich ist, um die Ausbreitung und Bildung von Umweltschäden durch Schwermetalle zu überwachen. Viele Chemosensoren arbeiten nur in bestimmten Lösungsmitteln und unter hochreinen Bedingungen quantitativ. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Stabilisierung von wasserunlöslichen Chemosensoren auf Nanodiamanten in salzhaltigem Wasser unter Beibehaltung der Sensoreffektivität und -spezifität sowie der kolloidalen Stabilität vorgestellt. Zusätzlich wird die Sensorfähigkeit in organischen Lösungsmitteln beibehalten. Diese Studie gibt Einblick in die Absorptionsfähigkeit von Pyren-Derivaten an der Nanodiamant-Oberfläche und einen Weg, diese reversibel zu desorbieren. Außerdem beweist das System, dass in Anwesenheit von 95 % Sauerstoffatmosphäre bei der Fluoreszenzmessung die Ergebnisse nicht von denen in Argonatmosphäre abweichen. Darüber hinaus stört das Vorhandensein gängiger Ionen im Wasser die kolloidale Stabilität der NDs nicht und hat auch keinen Einfluss auf die Sensorfunktionalität und ist somit ein vielversprechender Kandidat für Messungen ohne aufwändige Präparationsschritte. N2 - Nanodiamond (ND) is a versatile and promising material for bio-applications. Despite many efforts, agglomeration of nanodiamond and the non-specific adsorption of proteins on the ND surface when exposed to bio-fluids remains a major obstacle for biomedical applications. An assortment of branched and linear molecules with superior ability to colloidally stabilize nanoparticles in salt and cell media environment, for up to 30 days, was attached to the ND’s surface. The building box system with azide as external groups offers a huge variety of binding with many molecules, such as drugs, dyes or targeting molecules, is possible. Clicking, for instance, zwitterions moieties to the chain protects ND surface from protein corona forming when the particles get in contact with biofluids containing proteins. Thermogravimetric analysis results of the ND surface loading show a significant prevention of up to 98 % of the protein adsorption compared with NDs without zwitterionic headgroups and long colloidal stability when tetraethylene glycol (TEG) are attached to the surface. The versatility of the modular system to bind not only zwitterionic chains but also clickable functional molecules to fluorescent nanodiamonds (fNDs) demonstrates the potential of the system at the nanodiamond. Using defect structures, such as nitrogen-vacancy (NV) centers, diamond particles, due to their widely non-toxic behavior, can be used as fNDs for photostable labeling, bioimaging and nanoscale sensing in living cells and organisms. To functionalize the fND surface a novel milling technique with diazonium salts was established to perform grafting on poorly reactive HPHT fNDs yielding in high surface loading and high negative zeta potential. Combining the benefits of TEG and zwitterion containing groups with antibody enabled nucleus targeting ability on fND confirms the enhanced colloidal stability in living cells experiments for the first time. Furthermore, the results indicate an improved corona repulsion compared with fND without zwitterion containing headgroups. As a result, the circulation times were enlarged from 4 (fND without zwitterion chain but with antibody) to 17 (with antibody and zwitterion chains) hours. In non-biomedical applications, the modular system can be used as a probe for heavy metals by binding it to dyes. Detection of metals in different environments with high selectivity and specificity is one of the prerequisites of the fight against environmental pollution with these elements. Pyrenes are well suited and known for fluorescence sensing in different media. The applied sensing principle typically relies on the formation of intra- and intermolecular excimers, which is however limiting the sensitivity range due to masking of e.g. quenching effects by the excimer emission. This study shows a highly selective, structurally rigid chemical sensor based on the monomer fluorescence of pyrene moieties bearing triazole groups. This probe can quantitatively detect Cu2+, Pb2+ and Hg2+ in organic solvents over a broad concentration range, even in the presence of ubiquitous ions such as Na+, K+, Ca2+ and Mg2+. The strongly emissive sensor’s fluorescence with a long lifetime of 165 ns is quenched by a 1:1 complex formation upon addition of metal ions in acetonitrile. Upon addition of a tenfold excess of the metal ion to the sensor, agglomerates with a diameter of about 3 nm are formed. Due to complex interactions in the system, conventional linear correlations are not observed for all concentrations. Therefore, a critical comparison between the conventional Job plot interpretation, the method of Benesi-Hildebrand, and a non-linear fit is presented. The reported system enables the specific and robust sensing of medically and environmentally relevant ions in the health-relevant nM range and could be used e.g. for the monitoring of the respective ions in waste streams. Nonetheless, often these waste streams end up in sensitive aquacultures, where such sensor technology only works if the probe is water-soluble to monitor the spread and formation of environmental damage from heavy metals. Many chemosensors only work quantitatively in specific solvents and under highly pure conditions. In this thesis a method to stabilize water-insoluble chemosensors on nanodiamonds in saline water while maintaining the sensor efficacy and specificityas as well as colloidal stability is presented. Additionally, the sensor capability is retained in organic solvents. This study provides insight into the absorptivity of pyrene derivatives to the nanodiamond surface and a way to reversibly desorb them. Moreover, the system proves that in presence of 95 % oxygen atmosphere while the fluoresce measurement the results of the do not vary from the one in argon atmosphere. Furthermore, the presence of common ions in water do not disturb the colloidal stability of the NDs and also no influence the sensor functionality and thus is highly promising candidate for measurement without cumbersome preparation steps. KW - Chemosensor KW - Nanodiamant KW - Kolloidalstabilität KW - Protein Corona KW - Targeting Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245888 ER - TY - JOUR A1 - Karak, Suvendu A1 - Stepanenko, Vladimir A1 - Addicoat, Matthew A. A1 - Keßler, Philipp A1 - Moser, Simon A1 - Beuerle, Florian A1 - Würthner, Frank T1 - A Covalent Organic Framework for Cooperative Water Oxidation JF - Journal of the American Chemical Society N2 - The future of water-derived hydrogen as the “sustainable energy source” straightaway bets on the success of the sluggish oxygen-generating half-reaction. The endeavor to emulate the natural photosystem II for efficient water oxidation has been extended across the spectrum of organic and inorganic combinations. However, the achievement has so far been restricted to homogeneous catalysts rather than their pristine heterogeneous forms. The poor structural understanding and control over the mechanistic pathway often impede the overall development. Herein, we have synthesized a highly crystalline covalent organic framework (COF) for chemical and photochemical water oxidation. The interpenetrated structure assures the catalyst stability, as the catalyst’s performance remains unaltered after several cycles. This COF exhibits the highest ever accomplished catalytic activity for such an organometallic crystalline solid-state material where the rate of oxygen evolution is as high as ∼26,000 μmol L\(^{–1}\) s\(^{–1}\) (second-order rate constant k ≈ 1650 μmol L s\(^{–1}\) g\(^{–2}\)). The catalyst also proves its exceptional activity (k ≈ 1600 μmol L s\(^{–1}\) g\(^{–2}\)) during light-driven water oxidation under very dilute conditions. The cooperative interaction between metal centers in the crystalline network offers 20–30-fold superior activity during chemical as well as photocatalytic water oxidation as compared to its amorphous polymeric counterpart. KW - water oxidation KW - sustainable energy source KW - covalent organic framework KW - catalyst KW - crystalline KW - catalysis KW - nanoparticles Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287591 UR - https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07282 SN - 0002-7863 VL - 144 IS - 38 ER - TY - THES A1 - Awadallah, Abdelhaleem Aly Ahmed T1 - The Crew of the Sun Bark in the Amduat T1 - Die Mannschaft der Sonnenbarke im Amduat N2 - The Amduat is one of the most important Netherworld Books which was recorded in various kinds of Ancient Egyptian sources since the beginning of the 18th dynasty, especially the walls of the royal tombs. The main theme of the Amduat is the journey of the sun god through the underworld where the solar bark and its crew is the central scene of the journey. The study focuses on finding the reasons of choosing the crew’s members who manage the sun bark’s journey in the Amduat. It also aims at illustrating the functions and responsibilities of each crew member. Following a historical approach, the study analyzes the Pyramid Texts and Coffin Texts as the most important documents before the New Kingdom, and proceeding to the inscriptions and writings of the monuments which contain portrayals and inscriptions of the Amduat in the New Kingdom. Furthermore, it sheds some light on the solar cycle’s main features and primary aspects, and tries to scrutinize the date, meaning, and symbolisms of the Amduat and its indications in the earlier sources. N2 - Das Amduat ist eines der wichtigsten altägyptischen Unterweltbücher, das seit dem Anfang der 18. Dynastie durch zahlreiche Textzeugen auf unterschiedlichen Schrifträgern, insbesondere aber auf den Wänden der königlichen Gräber, überliefert ist. Die vorliegende Untersuchung gilt der Darstellung der Mannschaft der Sonnenbarke im Amduat. Sie konzentriert sich darauf, die Funktionen und Zuständigkeiten der einzelnen Mannschaftsmitglieder darzulegen und festzustellen, aus welchen Gründen sie jeweils für diese ausgewählt wurden. Des weiteren werden die hauptsächlichen Aspekte und Phasen des Sonnenzyklus ermittelt. Außerdem wird das Entstehungsdatum des Amduat bestimmt und seine Struktur, sein Bedeutungs- und sein Symbolgehalt untersucht. Dabei wird auch auf die Vorgeschichte und historischen Entwicklung des Amduat einge¬gangen, beginnend mit den Vorläuferfassungen einzelner Sprüche in den Pyramiden- und den Sargtexten als den bedeutendsten Texten vor dem Neuen Reich bis hin zu Inschriften und Darstellungen des Neuen Reiches, in denen sich einzelne Szenen und Sprüche aus dem Amduat finden. KW - Amduat KW - Solar bark Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287115 ER - TY - JOUR A1 - Metzner, Valentin A1 - Herzog, Gloria A1 - Heckel, Tobias A1 - Bischler, Thorsten A1 - Hasinger, Julia A1 - Otto, Christoph A1 - Fassnacht, Martin A1 - Geier, Andreas A1 - Seyfried, Florian A1 - Dischinger, Ulrich T1 - Liraglutide + PYY\(_{3-36}\) combination therapy mimics effects of Roux-en-Y bypass on early NAFLD whilst lacking-behind in metabolic improvements JF - Journal of Clinical Medicine N2 - Background: Treatment options for NAFLD are still limited. Bariatric surgery, such as Roux-en-Y gastric bypass (RYGB), has been shown to improve metabolic and histologic markers of NAFLD. Glucagon-like-peptide-1 (GLP-1) analogues lead to improvements in phase 2 clinical trials. We directly compared the effects of RYGB with a treatment using liraglutide and/or peptide tyrosine tyrosine 3-36 (PYY\(_{3-36}\)) in a rat model for early NAFLD. Methods: Obese male Wistar rats (high-fat diet (HFD)-induced) were randomized into the following treatment groups: RYGB, sham-operation (sham), liraglutide (0.4 mg/kg/day), PYY\(_{3-36}\) (0.1 mg/kg/day), liraglutide+PYY\(_{3-36}\), and saline. After an observation period of 4 weeks, liver samples were histologically evaluated, ELISAs and RNA sequencing + RT-qPCRs were performed. Results: RYGB and liraglutide+PYY\(_{3-36}\) induced a similar body weight loss and, compared to sham/saline, marked histological improvements with significantly less steatosis. However, only RYGB induced significant metabolic improvements (e.g., adiponectin/leptin ratio 18.8 ± 11.8 vs. 2.4 ± 1.2 in liraglutide+PYY\(_{3-36}\)- or 1.4 ± 0.9 in sham-treated rats). Furthermore, RNA sequencing revealed a high number of differentially regulated genes in RYGB treated animals only. Conclusions: The combination therapy of liraglutide+PYY\(_{3-36}\) partly mimics the positive effects of RYGB on weight reduction and on hepatic steatosis, while its effects on metabolic function lack behind RYGB. KW - liraglutide KW - GLP-1 KW - peptide tyrosine tyrosine (PYY) KW - peptide tyrosine tyrosine 3-36 (PYY\(_{3-36}\)) KW - RYGB KW - gastric bypass KW - obesity KW - NASH KW - NAFLD Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255244 SN - 2077-0383 VL - 11 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Graf, Dominic T1 - Surface and active site modification of proteins with organometallic markers and inhibitors T1 - Modifikation von Proteinen an der Oberfläche und im aktiven Zentrum durch organometallische Marker und Inhibitoren N2 - After implementing a reliable mass spectrometry based kinetic study the indole conjugation with different organometallic indoles led to questions about the electronical and sterical influences on reactivity. The substitution pattern of the ferrocene functionalized indoles at the six-membered ring determines the electron density on the C3 atom, which reacts with the formed Schiff base. Since the experimental results showed the exact opposite trend, covalent docking studies were performed elucidating the importance of surface interactions. These studies were in harmony with the experimental results and determined lysine 33 as most preferable conjugation site as well as substitution in 6-position as most favourable pattern. The amine motif in compounds 6, 7 and 8 proofed to be easily fragmented by the ESI method used. The amide linker in 10 remains intact but shows a lower conversion. Those two inherent characteristics are however preferable for well-defined and site-specific bioconjugation. The synthesis and evaluation of piano stool complex derivatives with manganese and rhenium metal centre 15, 16, 18 and 22 gave additional guidance by the interpretation of applicable structural motifs. The electron-withdrawing carbonyl groups lead to the hindrance of fulvene formation and thus to no fragmentation as seen with the ferrocene group. The total conversion is low compared to 8, only 22 shows a good enough conversion to mainly monoconjugate of 45% and a possible radio-labelling application as 99mTc analogue. As consequence manganese complexes with a stable facial tricarbonyl unit and a tridentate chelator with 4-, 5- and 6-substituted aminomethylindole conjugated through an amide bond were synthesized and consecutively evaluated. The resulting organometallic indole derivatives 29, 30 and 31 all showed a total conversion around 40% similar to 16, but at the same time a rate constant in the range of 10-4 s-1 like the organic indole. Besides the similar conversion, the rate constants followed the trend of the 6-substituted derivative as fastest and then 5- and 4- substituted derivative with decreasing reactivity. For underlining the usage as technetium label for the best out of the series 31, a rhenium analogue was prepared. The resulting compound 32 was especially interesting, because the conversion was even higher than the 70% of 8 with a total of 88%. Additionally, the rate constant was a tenfold higher as well. This rendered compound 32 as best possible 99mTc analogue for further application as radio-label. After the success of 32 and realizing the sterical benefits resulting from the flexible tridentate ligand-system, substitution at the five-membered ring was explored. The complexes 33, 34 and 35 are based on indole-2-carboxylic acid and with the difference of the length of the alkyl spacer between amide and complex to probe for the influence and sterical hindrance, but all three derivatives showed no conjugation which excludes functionalization in 2-position. As the C3 is used for the actual bioconjugation, the last possible derivatization was realized on the indole-N1 by using 1-(3-bromopropyl)indole as building block during the synthesis of the ligand-system. The corresponding manganese 36 and rhenium 37 complexes both showed similar properties of a moderate conversion like 22 and a rate constant in the range of 10-5 s-1. In conclusion the rhenium complex 32 with the 6-substitution pattern at the tridentate indole-bearing ligand remains the most promising structure. The here developed liquid chromatography coupled mass spectrometry-based assay for the determination of inhibitory activity of drug candidates against the 3CLpro of the sever acute respiratory syndrome coronavirus type 2 was successfully implemented and especially designed to give, due to the available absorption spectra and corresponding mass traces, further insight in the otherwise through fluorescence resonance energy transfer-based assays neglected influences on the inhibition results. Starting with a literature-known quinolone containing covalent inhibitor 42 an N1-methylated derivative 43 and their analogues 44 and 45 in which the benzoic acid was exchanged for ferrocene carboxylic acid were synthesized. The inhibition of 3CLpro was evaluated by the concentration of initial 15mer peptide left after incubation and for that purpose the for 280 nm defined molar attenuation coefficient of (26.41±0.59) L*mol-1*cm-1 determined and used. The results showed a reaction of DL dithiothreitol with the less stable benzoic acid esters leading to a moderate inhibitory effect. The methylation in N1-position showed an increase in stability. The methylated and with ferrocene carboxylic acid functionalized derivative showed a complete inhibition during the timeframe of the assay. In search of a fluorescent and therefore traceable inhibitor, 4 hydroxycoumarin was used to synthesize the analogue with benzoic acid 49 and ferrocene carboxylic acid 50. Both derivatives were less stable than their analogues but exhibited the same trend of a more stable ferrocene-derived compound, which exerted a higher inhibition as well. After preparing and testing the model thioester 53 and showing an inactivation of the established inhibitor ebselen, it was concluded that the reaction with DL dithiothreitol reduces the concentration of active intact inhibitor and therefore decreases the inhibition rate during the assay. The next step was proofing the reducing agent as non-essential for the fast assay conducted in a timeframe of 5 min to circumvent the negative influence of DL dithiothreitol. By excluding every inhibition-altering part, the resulting method is the perfect tool for precise statements in relation of inhibitory activity. Then the inhibition assay was repeated for ebselen and the best out of the here introduced organometallic inhibitors 45. Both give equivalent results of a complete inhibition during the measurement. The implemented liquid chromatography coupled mass spectrometry-based assay has many advantages over the fluorescence resonance energy transfer-based assays in which all the information and insight accumulated by the evaluation of uv/vis traces and mass spectra are not available leading to wrong or deviating results regarding the inhibitory capacity of inhibitor candidates. N2 - Nach der erfolgreichen Implementierung einer auf Massenspektrometrie basierenden Methode, um kinetische Studien über die Indolkonjugation durchzuführen, kamen Fragen über die elektronischen und sterischen Einflüsse auf die Reaktivität auf. Das Substitutionsmuster der Ferrocen-funktionalisierten Indole am sechsgliedrigen Ring bestimmt die Elektronendichte am C3-Atom, welches wiederum mit der zuvor entstandenen Schiffbase reagiert. Da die experimentellen Daten einen der Elektronendichte entgegengesetzten Trend aufwiesen, wurden Docking-Studien durchgeführt, um die Einflüsse der Wechselwirkungen mit der Proteinoberfläche näher zu beleuchten. Diese entsprachen den experimentellen Werten und zeigten, dass Lysin 33 die bevorzugte Konjugationsstelle ist und dass die Substitution in 6-Position die energetisch günstigste darstellt. Das sekundäre Amin der Verbindungen 6, 7 und 8 wurde unter den ESI-Bedingungen leicht fragmentiert. Die Amid-Bindung von 10 dagegen bleibt intakt und ein langsamerer Umsatz, welcher für einen wohl definierten Umsatz sorgt, wurde beobachtet. Die Synthese und Evaluation der Halbsandwich-Komplexe 15, 16, 18 und 22 gab zusätzlichen Aufschluss über die strukturellen Einflüsse. Die elektronenziehenden Carbonyle behindern die Bildung der Fulvene, welche für die Ferrocen-Derivate beobachtet worden war. Der Gesamtumsatz ist vergleichsweise gering und nur Substanz 22 zeigt eine annehmbare Konversion von 45% an Monokonjugat auf, welches sie wiederum für den Einsatz als 99mTc-Analog qualifiziert. Als direkte Konsequenz wurden Mangankomplexe mit einer stabilen facialen Tricarbonyl-Einheit und einem Indol beinhaltenden tridentaten Liganden synthetisiert. Dies wurde für die 4-, 5- und 6-Substitution durchgeführt um die Komplexe 29, 30 und 31 zu erhalten. Alle drei zeigten eine Konversion von ungefähr 40% und lagen mit einer Ratenkonstante von 10-4 s-1 in dem Bereich des organischen Indols. Die Ratenkonstanten folgten hingegen wiederum dem Trend der begünstigten 6-Position, gefolgt von der 5- und dann 4-Position. Um einen Verglich zu einer analogen Technetium-Verbindung zu ziehen wurde der beste Komplex 31 als Rhenium-Analog 32 hergestellt. Dies wies den bisher höchsten Gesamtumsatz von 88% auf, welches die Konversion von 70% der Verbindung 8 überschritt. Dadurch qualifizierte sich Verbindung 32 als beste Option für eine Umsetzung als Radiomarker. Nach den Erkenntnissen über die begünstigte Sterik der flexiblen tridendaten Liganden wurde versucht den Erfolg auf den Fünfring zu übertragen. Eine auf Indol-2-säure basierende Reihe an Komplexen (33,34,35) mit unterschiedlich langen Alkyl-Ketten zwischen Indol und Metallkomplex sollte Aufschluss über den sterischen Anspruch geben, allerdings war keine Konjugation für alle drei Derivate zu beobachten. Als Konsequenz wurde die 2-Position für weitere Funktionalisierung nicht weiter berücksichtigt. Die letzte verbliebene Stelle war das Indol-amin selbst, welche durch den Einsatz von 1-(3-bromopropyl)indol bei der Ligandensynthese erfolgreich alkyliert wurde. Der resultierende Mangan- 36 und Rhenium-Komplex 37 zeigten eine mit 22 vergleichbare moderate Konversion und um eine Größenordnung kleinere Ratenkonstante. Durch diese Erkenntnisse verblieb der Rhenium-Komplex 32 weiterhin der beste Kandidat für eine Umsetzung als radioaktiver Marker. Der hier beschriebene liquid chromatography coupled mass spectrometry basierte Assay für die Bestimmung der Inhibitions-Wirkung gegenüber der 3CLpro des sever acute respiratory syndrome coronavirus type 2 wurde erfolgreich etabliert. Durch die zusätzlichen Absorptions , sowie Massenspektren wurden weitere Informationen gewonnen, welche in den oft angewendeten Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer Assays vernachlässigt werden und zu Verfälschungen der Inhibitionsergebnisse führen. Ausgehend von dem literaturbekannten kovalenten Inhibitor 42 wurde ein N1-methyliertes Derivat 43 hergestellt. Durch den Austausch von Benzoesäure durch Ferrocensäure wurden die Analoge 44 und 45 erhalten. Die Restkonzentration des 15mer Substrats nach der Inkubation wurde als Maß der Inhibition herangezogen. Hierfür wurde der molare Extinktionskoeffizient bei 280 nm mit (26.41±0.59) L*mol-1*cm-1 bestimmt. Die Methylierung führte zu einer erhöhten Stabilität. Der Wirkstoffkandidat 45 zeigte außerdem eine vollständige Inhibition im Rahmen des durchgeführten Assays. 4-Hydroxycoumarin wurde verwendet, um die fluoreszenten Analoga 49 und 50 herzustellen. Beide waren instabiler, wobei das Ferrocen-Derivat wie zuvor eine erhöhte Inhibition aufzeigte. Nach der Synthese und Auswertung des Assays für eine Thioester Modellverbindung 53 und einer nachgewiesenen Inaktivierung des etablierten Inhibitors Ebselen wurden die Nebenreaktionen mit DL-Dithiothreitol als Ursache für einen Konzentrationsabfall der aktiven und intakten Inhibitoren und infolgedessen verringerte Inhibition angenommen. Als nächstes wurde bewiesen, dass der Zusatz eines Reduktionsmittels wie keinen Einfluss auf die Enzymaktivität während des kurzen Assays hat. So wurden alle Einflüsse auf die Inhibitionswirkung ausgeschlossen und der nun makellose Assay für Ebselen und den hier vorgestellten neuartigen organometallischen Inhibitor 45 wiederholt, welche beide eine vollständige Inhibition aufwiesen. KW - Inhibition KW - SARS-CoV-2 KW - Covalent inhibitors KW - Surface modification KW - Indole conjugation KW - LCMS- based kinetic studies Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287424 ER - TY - JOUR A1 - Pietro-Garcia, Christian A1 - Hartmann, Oliver A1 - Reissland, Michaela A1 - Fischer, Thomas A1 - Maier, Carina R. A1 - Rosenfeldt, Mathias A1 - Schülein-Völk, Christina A1 - Klann, Kevin A1 - Kalb, Reinhard A1 - Dikic, Ivan A1 - Münch, Christian A1 - Diefenbacher, Markus E. T1 - Inhibition of USP28 overcomes Cisplatin-resistance of squamous tumors by suppression of the Fanconi anemia pathway JF - Cell Death and Differentiation N2 - Squamous cell carcinomas (SCC) frequently have an exceptionally high mutational burden. As consequence, they rapidly develop resistance to platinum-based chemotherapy and overall survival is limited. Novel therapeutic strategies are therefore urgently required. SCC express ∆Np63, which regulates the Fanconi Anemia (FA) DNA-damage response in cancer cells, thereby contributing to chemotherapy-resistance. Here we report that the deubiquitylase USP28 is recruited to sites of DNA damage in cisplatin-treated cells. ATR phosphorylates USP28 and increases its enzymatic activity. This phosphorylation event is required to positively regulate the DNA damage repair in SCC by stabilizing ∆Np63. Knock-down or inhibition of USP28 by a specific inhibitor weakens the ability of SCC to cope with DNA damage during platin-based chemotherapy. Hence, our study presents a novel mechanism by which ∆Np63 expressing SCC can be targeted to overcome chemotherapy resistance. Limited treatment options and low response rates to chemotherapy are particularly common in patients with squamous cancer. The SCC specific transcription factor ∆Np63 enhances the expression of Fanconi Anemia genes, thereby contributing to recombinational DNA repair and Cisplatin resistance. Targeting the USP28-∆Np63 axis in SCC tones down this DNA damage response pathways, thereby sensitizing SCC cells to cisplatin treatment. KW - USP28 KW - Cisplatin KW - squamous tumors Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273014 SN - 1476-5403 VL - 29 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Eckhardt, Carolin A1 - Sbiera, Iuliu A1 - Krebs, Markus A1 - Sbiera, Silviu A1 - Spahn, Martin A1 - Kneitz, Burkhard A1 - Joniau, Steven A1 - Fassnacht, Martin A1 - Kübler, Hubert A1 - Weigand, Isabel A1 - Kroiss, Matthias T1 - High expression of Sterol-O-Acyl transferase 1 (SOAT1), an enzyme involved in cholesterol metabolism, is associated with earlier biochemical recurrence in high risk prostate cancer JF - Prostate Cancer and Prostatic Diseases N2 - Background Prostate cancer (PCa) is the most frequent cancer in men. The prognosis of PCa is heterogeneous with many clinically indolent tumors and rare highly aggressive cases. Reliable tissue markers of prognosis are lacking. Active cholesteryl ester synthesis has been associated with prostate cancer aggressiveness. Sterol-O-Acyl transferases (SOAT) 1 and 2 catalyze cholesterol esterification in humans. Objective To investigate the value of SOAT1 and SOAT2 tissue expression as prognostic markers in high risk PCa. Patients and Methods Formalin-fixed paraffin-embedded tissue samples from 305 high risk PCa cases treated with radical prostatectomy were analyzed for SOAT1 and SOAT2 protein expression by semi-quantitative immunohistochemistry. The Kaplan-Meier method and Cox proportional hazards modeling were used to compare outcome. Main Outcome Measure Biochemical recurrence (BCR) free survival. Results SOAT1 expression was high in 73 (25%) and low in 219 (75%; not evaluable: 13) tumors. SOAT2 was highly expressed in 40 (14%) and at low levels in 249 (86%) samples (not evaluable: 16). By Kaplan-Meier analysis, we found significantly shorter median BCR free survival of 93 months (95% confidence interval 23.6-123.1) in patients with high SOAT1 vs. 134 months (112.6-220.2, Log-rank p < 0.001) with low SOAT1. SOAT2 expression was not significantly associated with BCR. After adjustment for age, preoperative PSA, tumor stage, Gleason score, resection status, lymph node involvement and year of surgery, high SOAT1 but not SOAT2 expression was associated with shorter BCR free survival with a hazard ratio of 2.40 (95% CI 1.57-3.68, p < 0.001). Time to clinical recurrence and overall survival were not significantly associated with SOAT1 and SOAT2 expression CONCLUSIONS: SOAT1 expression is strongly associated with BCR free survival alone and after multivariable adjustment in high risk PCa. SOAT1 may serve as a histologic marker of prognosis and holds promise as a future treatment target. KW - prostate cancer KW - SOAT1 KW - cholesterol metabolism Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-271819 SN - 1476-5608 VL - 25 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Dahlhoff, Julia A1 - Manz, Hannah A1 - Steinfatt, Tim A1 - Delgado-Tascon, Julia A1 - Seebacher, Elena A1 - Schneider, Theresa A1 - Wilnit, Amy A1 - Mokhtari, Zeinab A1 - Tabares, Paula A1 - Böckle, David A1 - Rasche, Leo A1 - Martin Kortüm, K. A1 - Lutz, Manfred B. A1 - Einsele, Hermann A1 - Brandl, Andreas A1 - Beilhack, Andreas T1 - Transient regulatory T-cell targeting triggers immune control of multiple myeloma and prevents disease progression JF - Leukemia N2 - Multiple myeloma remains a largely incurable disease of clonally expanding malignant plasma cells. The bone marrow microenvironment harbors treatment-resistant myeloma cells, which eventually lead to disease relapse in patients. In the bone marrow, CD4\(^{+}\)FoxP3\(^{+}\) regulatory T cells (Tregs) are highly abundant amongst CD4\(^{+}\) T cells providing an immune protective niche for different long-living cell populations, e.g., hematopoietic stem cells. Here, we addressed the functional role of Tregs in multiple myeloma dissemination to bone marrow compartments and disease progression. To investigate the immune regulation of multiple myeloma, we utilized syngeneic immunocompetent murine multiple myeloma models in two different genetic backgrounds. Analyzing the spatial immune architecture of multiple myeloma revealed that the bone marrow Tregs accumulated in the vicinity of malignant plasma cells and displayed an activated phenotype. In vivo Treg depletion prevented multiple myeloma dissemination in both models. Importantly, short-term in vivo depletion of Tregs in mice with established multiple myeloma evoked a potent CD8 T cell- and NK cell-mediated immune response resulting in complete and stable remission. Conclusively, this preclinical in-vivo study suggests that Tregs are an attractive target for the treatment of multiple myeloma. KW - Multiple myeloma KW - transient regulatory T-cell targeting KW - immune control Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-271787 SN - 1476-5551 VL - 36 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Fricke, Ute T1 - Herbivory, predation and pest control in the context of climate and land use T1 - Herbivorie, Prädation und Schädlingskontrolle im Kontext von Klima und Landnutzung N2 - Chapter 1 – General introduction Anthropogenic land-use and climate change are the major drivers of the global biodiversity loss. Yet, biodiversity is essential for human well-being, as we depend on the availability of potable water, sufficient food and further benefits obtained from nature. Each species makes a somewhat unique contribution to these ecosystem services. Furthermore, species tolerate environmental stressors, such as climate change, differently. Thus, biodiversity is both the "engine" and the "insurance" for human well-being in a changing climate. Here, I investigate the effects of temperature and land use on herbivory (Chapter 2), predation (Chapter 3) and pest control (Chapter 4), and at the same time identify features of habitats (e.g. plant richness, proximity to different habitat types) and landscapes (e.g. landscape diversity, proportion of oilseed rape area) as potential management targets in an adaptation strategy to climate change. Finally, I discuss the similarities and differences between factors influencing herbivory, predation and pest control, while placing the observations in the context of climate change as a multifaceted phenomenon, and highlighting starting points for sustainable insect pest management (Chapter 5). Chapter 2 – Plant richness, land use and temperature differently shape invertebrate leaf-chewing herbivory on major plant functional groups Invertebrate herbivores are temperature-sensitive. Rising temperatures increase their metabolic rates and thus their demand for carbon-rich relative to protein-rich resources, which can lead to changes in the diets of generalist herbivores. Here, we quantified leaf-area loss to chewing invertebrates among three plant functional groups (legumes, non-leguminous forbs and grasses), which largely differ in C:N (carbon:nitrogen) ratio. This reseach was conducted along spatial temperature and land-use gradients in open herbaceous vegetation adjacent to different habitat types (forest, grassland, arable field, settlement). Herbivory largely differed among plant functional groups and was higher on legumes than forbs and grasses, except in open areas in forests. There, herbivory was similar among plant functional groups and on legumes lower than in grasslands. Also the presence of many plant families lowered herbivory on legumes. This suggests that open areas in forests and diverse vegetation provide certain protection against leaf damage to some plant families (e.g. legumes). This could be used as part of a conservation strategy for protected species. Overall, the effects of the dominant habitat type in the vicinity and diverse vegetation outweighed those of temperature and large-scale land use (e.g. grassland proportion, landscape diversity) on herbivory of legumes, forbs and grasses at the present time. Chapter 3 – Landscape diversity and local temperature, but not climate, affect arthropod predation among habitat types Herbivorous insects underlie top-down regulation by arthropod predators. Thereby, predation rates depend on predator community composition and behaviour, which is shaped by temperature, plant richness and land use. How the interaction of these factors affects the regulatory performance of predators was unknown. Therefore, we assessed arthropod predation rates on artificial caterpillars along temperature, and land-use gradients. On plots with low local mean temperature (≤ 7°C) often not a single caterpillar was attacked, which may be due to the temperature-dependent inactivity of arthropods. However, multi-annual mean temperature, plant richness and the dominant habitat type in the vicinity did not substantially affect arthropod predation rates. Highest arthropod predation rates were observed in diverse landscapes (2-km scale) independently of the locally dominanting habitat type. As landscape diversity, but not multi-annual mean temperature, affected arthropod predation rates, the diversification of landscapes may also support top-down regulation of herbivores independent of moderate increases of multi-annual mean temperature in the near future. Chapter 4 – Pest control and yield of winter oilseed rape depend on spatiotemporal crop-cover dynamics and flowering onset: implications for global warming Winter oilseed rape is an important oilseed crop in Europe, yet its seed yield is diminished through pests such as the pollen beetle and stem weevils. Damage from pollen beetles depends on pest abundances, but also on the timing of infestation relative to crop development as the bud stage is particularly vulnerable. The development of both oilseed rape and pollen beetles is temperature-dependent, while temperature effects on pest abundances are yet unknown, which brings opportunities and dangers to oilseed rape cropping under increased temperatures. We obtained measures of winter oilseed rape (flowering time, seed yield) and two of its major pests (pollen beetle, stem weevils) for the first time along both land-use and temperature gradients. Infestation with stem weevils was not influenced by any temperature or land-use aspect considered, and natural pest regulation of pollen beetles in terms of parasitism rates of pollen beetle larvae was low (< 30%), except on three out of 29 plots. Nonetheless, we could identify conditions favouring low pollen beetle abundances per plant and high seed yields. Low pollen beetle densities were favoured by a constant oilseed rape area relative to the preceding year (5-km scale), whereas a strong reduction in area (> 40%) caused high pest densities (concentration effect). This occurred more frequently in warmer regions, due to drought around sowing, which contributed to increased pollen beetle numbers in those regions. Yet, in warmer regions, oilseed rape flowered early, which possibly led to partial escape from pollen beetle infestation in the most vulnerable bud stage. This is also suggested by higher seed yields of early flowering oilseed rape fields, but not per se at higher temperatures. Thus, early flowering (e.g. cultivar selection) and the interannual coordination of oilseed rape area offer opportunities for environmental-friendly pollen beetle management. Chapter 5 – General discussion Anthropogenic land-use and climate change are major threats to biodiversity, and consequently to ecosystem functions, although I could show that ecosystem functions such as herbivory and predation barely responded to temperature along a spatial gradient at present time. Yet, it is important to keep several points in mind: (i) The high rate of climate warming likely reduces the time that species will have to adapt to temperature in the future; (ii) Beyond mean temperatures, many aspects of climate will change; (iii) The compensation of biodiversity loss through functional redundancy in arthropod communities may be depleted at some point; (iv) Measures of ecosystem functions are limited by methodological filters, so that changes may be captured incompletely. Although much uncertainty of the effects of climate and land-use change on ecosystem functions remains, actions to halt biodiversity loss and to interfere with natural processes in an environmentally friendly way, e.g. reduction of herbivory on crops, are urgently needed. With this thesis, I contribute options to the environment-friendly regulation of herbivory, which are at least to some extent climate resilient, and at the same time make a contribution to halt biodiversity loss. Yet, more research and a transformation process is needed to make human action more sustainable. In terms of crop protection, this means that the most common method of treating pests with fast-acting pesticides is not necessarily the most sustainable. To realize sustainable strategies, collective efforts will be needed targeted at crop damage prevention through reducing pest populations and densities in the medium to long term. The sooner we transform human action from environmentally damaging to biodiversity promoting, the higher is our insurance asset that secures human well-being under a changing climate. N2 - Kapitel 1 – Allgemeine Einleitung Intensive Landnutzung und Klimawandel sind die Hauptursachen des globalen Rückgangs der biologischen Vielfalt. Diese ist jedoch wichtig für das menschliche Wohlergehen, da wir von der Verfügbarkeit von trinkbarem Wasser, Nahrungsmitteln und weiteren Leistungen der Natur abhängig sind. Dazu leistet jede Art einen gewissermaßen einzigartigen Beitrag. Darüber hinaus kommen verschiedene Arten unterschiedlich gut mit umweltbedingten Stressfaktoren wie z.B. dem Klimawandel aus. Dadurch ist die biologische Vielfalt sowohl der "Motor" als auch die "Versicherung" für das menschliche Wohlergehen in einem sich verändernden Klima. Hier untersuche ich die Auswirkungen von Temperatur und Landnutzung auf Pflanzenfraß („Herbivorie“, Kapitel 2), Räuber-Beute-Beziehungen („Prädation“, Kapitel 3) und die Regulation von Schädlingen im Raps (Kapitel 4), und betrachte gleichzeitig Merkmale von Lebensräumen (z.B. Reichtum an Pflanzenarten und -familien, Nähe zu unterschiedlichen Lebensraumtypen) und Landschaften (z.B. Vielfältigkeit der Landschaft, Anteil der Rapsanbaufläche) als mögliche Ansatzpunkte für Anpassungsstrategien an den Klimawandel. Abschließend erörtere ich die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Faktoren, die Herbivorie, Prädation und Schädlingskontrolle beeinflussen, ordne diese in den Kontext des Klimawandels als vielseitiges Phänomen ein, und betone mögliche Ansatzpunkte für den nachhaltigen Pflanzenschutz (Kapitel 5). Kapitel 2 – Pflanzenreichtum, Landnutzung und Temperatur beeinflussen die Schädigung verschiedener funktioneller Pflanzengruppen durch blattfressende Wirbellose unterschiedlich Wirbellose Pflanzenfresser (z.B. Grashüpfer) sind temperaturempfindlich. Steigende Temperaturen erhöhen ihre Stoffwechselrate und damit ihren Bedarf an kohlenstoffreichen im Vergleich zu proteinreichen Ressourcen, was zu einer Ernährungsumstellung von pflanzenfressenden Generalisten führen kann. Hier erfassten wir die Blattschädigung durch kauende Wirbellose an drei funktionellen Pflanzengruppen (Leguminosen, andere krautige Pflanzen, Gräser), welche sich in ihrem C:N (Kohlenstoff:Stickstoff) Verhältnis unterscheiden. Die Erfassung führten wir entlang von räumlichen Temperatur- und Landnutzungsgradienten in offener krautiger Vegetation angrenzend an verschiedene Lebensraumtypen (Forst, Grünland, Ackerfläche, Siedlung) durch. Die Blattschädigung verschiedener funktioneller Pflanzengruppen variierte stark und war an Leguminosen höher als an krautigen Pflanzen oder Gräsern, außer auf Offenflächen im Forst. Dort waren die Blattschädigungen der funktionellen Pflanzengruppen ähnlich und die Schädigung an Leguminosen niedriger als im Grünland. Auch das Vorhandensein vieler Pflanzenfamilien verringerte die Blattschädigung an Leguminosen. Dies legt nahe, dass Offenflächen im Forst und vielfältige Vegetation einen gewissen Schutz gegen Blattschädigung an manchen Pflanzenfamilien (z.B. Leguminoses) bieten. Dies könnte im Rahmen des Artenschutzes einen Beitrag zum Erhalt geschützter Arten leisten. Insgesamt überwogen die Auswirkungen des vorherrschenden Lebensraumtyps in der näheren Umgebung und vielfältiger Vegetation zum jetzigen Zeitpunkt den Einfluss von Temperatur und großräumiger Landnutzung (z.B. Grünlandanteil, Vielfältigkeit der Landschaft) auf die Blattschädigung an Leguminosen, krautigen Pflanzen und Gräsern. Kapitel 3 – Vielfältige Landschaften und die lokale Temperatur, jedoch nicht das Klima, beeinflussen die Prädationsleistung von Gliederfüßern in verschiedenen Lebensräumen Pflanzenfressende Insekten unterliegen der Top-Down-Regulation durch räuberisch-lebende Gliederfüßer. Der Beitrag, den diese zur Top-Down-Regulation leisten hängt jedoch unter anderem von der Zusammensetzung ihrer Artengemeinschaft und von ihrem Verhalten ab. Beides wird durch Temperatur, Pflanzenreichtum und Landnutzung beeinflusst. Wie sich das Zusammenspiel dieser Faktoren auf die Regulationsleistung von Räubern auswirkt war bis dato unbekannt. Deshalb untersuchten wir die Attackierung von räuberischen Gliederfüßern auf Beuteattrappen (Knetraupen) entlang von Temperatur- und Landnutzungsgradienten. Auf Studienflächen mit niedriger lokaler Mitteltemperatur (≤ 7°C) wurde oft keine einzige Knetraupe attackiert, was sich möglicherweise auf die temperatureabhängige Inaktivität von Gliederfüßern zurückführen lässt. Die Durchschnittstemperatur im mehrjährigen Mittel, das Pflanzenreichtum und der vorherrschende Lebensraumtyp hingegen zeigten keinen substanziellen Einfluss auf die Attackierung der Knetraupen durch räuberische Gliederfüßer. Am höchsten waren die Attackierungsraten in vielfältigen Landschaften (2-km Skala) unabhängig vom lokal vorherrschenden Lebensraumtyp. Da vielfältige Landschaften, nicht jedoch die Durchschnittstemperatur im mehrjährigen Mittel, die Attackierungsraten beeinflussten, können Maßnahmen zur Diversifizierung von Landschaften möglicherweise unabhängig von moderat steigenden mehrjährigen Mitteltemperaturen in naher Zukunft die Top-Down-Regulation von Pflanzenfressern begünstigen. Kapitel 4 – Schädlingskontrolle und Ertrag im Winterraps sind von der räumlich-zeitlichen Dynamik der Rapsanbaufläche sowie vom Blühzeitpunkt abhängig: Implikationen für die globale Erwärmung Winterraps ist eine wichtige Ölpflanze in Europa, doch die Erträge werden insbesondere durch Schädlinge wie Rapsglanzkäfer und Stängelrüssler gemindert. Die Schädigung durch den Rapsglanzkäfer ist abhängig vom Schädlingsaufkommen, aber auch vom Befallszeitpunkt in Bezug zum Entwicklungsstadium des Winterraps, wobei das Knospenstadium besonders empfindlich ist. Die Entwicklung von Raps und Rapsglanzkäfer ist temperaturabhängig, wohingegen Temperatureffekte auf Schädlingsabundanzen unbekannt sind, sodass höhere Temperaturen sowohl Chancen als auch Gefahren mitsichbringen. Wir führten Messungen an Winterrapspflanzen (Blühzeitpunkt, Samenertrag) und zwei seiner Hauptschädlinge (Rapsglanzkäfer, Stängelrüssler) erstmalig entlang von Landnutzungs- und Temperaturgradienten durch. Der Befall mit Stängelrüsslern wurde nicht von den untersuchten Temperatur- und Landschaftsparametern beeinflusst und die natürliche Schädlingskontrolle von Rapsglanzkäferlarven in Bezug auf Parasitierungsraten war mit Ausnahme von drei von 29 Standorten gering (< 30%). Nichtsdestotrotz konnten wir Bedingungen identifizieren, die niedrige Befallszahlen mit Rapsglanzkäfern und hohe Samenerträge begünstigen. Geringe Rapsglanzkäferdichten wurden durch eine konstante Rapsanbaufläche relativ zum Vorjahr (5-km Skala) begünstigt, wohingegen eine starke Reduktion in der Anbaufläche (> 40%) zu hohem Befall führte (Konzentrationseffekt). Aufgrund von Trockenheit in warmen Regionen rund um den Saattermin trat dies häufiger in warmen Regionen auf, was zu einem stärkeren Befall mit Rapsglanzkäfern in diesen Regionen beitrug. In wärmeren Regionen kam der Raps jedoch auch früher zur Blüte, was es ihm vermutlich ermöglichte, dem Rapsglanzkäferbefall im empfindlichsten Knospenstadium einigermaßen zu entgehen. Dies zeigte sich auch daran, dass eine frühe Blüte, nicht jedoch höhere Temperaturen, zu höheren Erträgen führte. Eine frühe Blüte (z.B. durch Sortenwahl) und die jahresübergreifende Koordination der Rapsanbaufläche bieten Möglichkeiten für die umweltfreundliche Schädlingskontrolle von Rapsglanzkäfern. Kapitel 5 – Allgemeine Diskussion Der durch den Menschen verursachte Landnutzungs- und Klimawandel stellt eine große Gefahr für die biologische Vielfalt und damit auch für die Funktionalität von Ökosystemen dar, obwohl ich zeigen konnte, dass natürliche Abläufe wie Pflanzenfraß und Räuber-Beute-Beziehungen kaum auf Temperaturunterschiede entlang eines räumlichen Gradients reagierten. Dennoch ist es wichtig mehrere Punkte zu beachten: (i) Die Rate, mit der sich die Erde erwärmt, wird Arten in Zukunft weniger Zeit lassen sich an die herschende Temperatur anzupassen; (ii) Neben der Erderwärmung werden sich viele weitere Aspekte des Klimas verändern; (iii) Die Aufrechterhaltung von natürlichen Abläufen unter Artenverlust durch funktionale Redundanz könnte irgendwann erschöpft sein; (iv) Die Messung natürlicher Abläufe ist durch methodische Filter limitiert, sodass Änderungen unter Umständen unvollständig abgebildet werden. Obwohl Ungewissheiten bezüglich der Auswirkungen des Landnutzungs- und Klimawandels auf natürliche Abläufe bestehen bleiben, werden dringlich Maßnahmen benötigt, die zum Erhalt der biologischen Vielfalt beitragen und die es ermöglichen umweltfreundlich in natürliche Abläufe einzugreifen wie z.B. die Abmilderung von Pflanzenfraß an Kulturpflanzen. Mit dieser Doktorarbeit, zeige ich Ansatzpunkte für Maßnahmen zur umweltfreundlichen Regulation von Pflanzenfraß auf, die zumindest zu einem gewissen Grad Klima-resilient sind und zugleich einen Beitrag zur Eindämmung des Artensterbens leisten. Um das menschliche Handeln nachhaltiger zu machen, bedarf es neben weiterer Forschung eines Transformationsprozesses. Für den Pflanzenschutz bedeutet dies, dass die gängigste Methode der Schädlingsbekämpfung mit schnell wirkenden Pestiziden nicht unbedingt die nachhaltigste ist. Um nachhaltige Strategien zu realisieren werden gemeinschaftliche Bemühungen nötig sein, die sich der Vorbeugung von Schäden an Kulturpflanzen durch die mittel- bis langfristigen Reduktion von Schädlingspopulationen und -dichten widmen. Je früher wir das menschliche Handeln von umweltschädigend zu biodiversitätsfördernd umwandeln, desto größer ist unser “Versicherungswert”, der das menschliche Wohlergehen in einem sich änderndem Klima gewährleistet. KW - Ökologie KW - Schädlingsbekämpfung KW - Landnutzung KW - Klimaänderung KW - Prädation KW - Pest management KW - Predation KW - Herbivory KW - land use KW - climate Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287328 ER - TY - THES A1 - Nagl, Patrick Alexander T1 - Chemistry meets Cancer Immunotherapy: Synthesis and Characterization of Hapten-like Compounds for Selective Immunotherapy T1 - Chemie trifft Krebsimmuntherapie: Synthese und Charakterisierung von hapten-artigen Verbindungen für selektive Immuntherapie N2 - Chimeric antigen receptors (CARs) are able to specifically direct T cells to tumor antigens and therapy with anti-CD19 CARs has already cured cancer patients with B-cell lymphomas who have undergone long-term therapy non-successful. Despite this impressive result, the therapy is currently only approved as a last treatment option for blood cancers due to its life-threatening deficiencies. For patient safety and to enable additional application such as the treatment of solid tumors, CAR-T cells must be controllable, e. g. by chemically programmable CARs (cpCARs) regulated by hapten-like compounds. This thesis reports the synthesis and characterization of such hapten-like compounds. In the first step, seven different warheads with two different spacers were bound to biotin in order to find a suitable warhead for programming the cpCAR. In a second step, synthetic routes for the three pharmacophores folate, c(RGD), and an RGD peptidomimetic were developed. The routes allow the modification of the pharmacophores with one of the warheads from the first step. CuAAC was chosen as a bioorthogonal approach to link pharmacophores and warheads. In total, three different pharmacophores were modified with the 1,3-diketone motif of compound 21 leading to 112, 113 and 128. Activation of the T-cell signaling cascade was tested after binding of these hapten-like compounds to the cpCAR in the presence of suitable target structures. For 112, only a slight, non-significant, activation of the T-cell signaling cascade was observed, whereas for 113 and 128, a significant activation of the T-cell signaling cascade was observed. The poor solubility of the folate compounds led to alternative strategies. Folic acid was exchanged by pteroic acid and the bifunctional, linear compounds were enlarged to trifunctional dendrimers. Besides the reported regioisomer in 112, a second one, which was not reported to date, occurred by the cyclization of the linear RGD pentapeptide leading to 113. After the reported synthesis of an RGD peptidomimetic analogous to 128 could not be reproduced, a new synthetic route was developed. It also consists of 17 steps, but reduces the number of linear steps from 13 to 10. Moreover, the developed route contains an asymmetric hydrogenation step and is, compared to the published one, more flexible by the use of the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC). In addition, an unknown reaction was observed. Instead of the formation of a Schiff base in the reductive amination of 129, an insertion of propargylamine occurred forming 131. The reaction is almost quantitative and in high purity. After requiring no purification, it could be predestined for industrial purposes, such as the synthesis of N-functionalized 1,2-dihydroquinolines or as a building block with various orthogonal functional groups. Besides the sulfonamide 16, the diketone (21, 27, 31) and lactam compounds (39 – 41), experiments on adapter molecules with further warheads were performed. In the synthesis of a proadapter approach, in which the warhead is formed only after the retro-aldol reaction catalyzed by the mAb, 6 of 10 steps were successfully performed. A newly developed synthesis to keto-sulfonyl and keto-sulfoxide compounds could not be completed but was performed on a small scale to the point of keto-sulfonyl and keto-sulfoxide. Furthermore, a universal synthesis route was designed to allow the introduction of the warhead at the end of the synthesis by acylation. Thus, after 5 shared steps, 3 of them in quantitative yield, different warheads may be introduced. Moreover, this also facilitates the purification and the analysis of the compounds by the absence of tautomerism or labile groups. However, the acylation experiments were not successful with either the acid cyanide or the Weinreb amide. In summary, this thesis has proven that the 1,3-diketone motif is a suitable warhead for programming the cpCAR, which was developed by Hudecek et al. (unpublished data). The hapten-like compounds 112, 113 and 128 simultaneously bind to integrin ${\alpha}_v{\beta}_3$ and the cpCAR activating the T-cell signaling cascade. The modular synthesis strategy and the use of the bioorthogonal CuAAC allow straightforward access to these valuable immunotherapeutics but revealed the need for an additional purification step to remove copper ions. N2 - Chimäre Antigen-Rezeptoren (CARs) ermöglichen es T-Zellen spezifisch auf Tumorantigene auszurichten. Die Therapie mit anti-CD19 CARs konnte bereits eindrucksvolle Ergebnisse liefern und austherapierte Krebspatienten mit B-Zell-Lymphomen heilen. Durch zum Teil lebensbedrohliche Nebenwirkungen ist sie aktuell jedoch nur als letzte Therapiemöglichkeit zugelassen. Um Patienten zu schützen und ihr Einsatzgebiet zu erweitern, beispielsweise zur Behandlung von soliden Tumoren, müssen CAR-T-Zellen kontrollierbar sein, z. B. durch chemisch programmierbare CARs (cpCARs), die durch hapten-artigen Verbindungen reguliert werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von solchen Verbindungen. Dafür wurden im ersten Schritt sieben verschiedene reaktive Gruppen mit zwei unterschiedlichen Spacern an Biotin gebunden, um eine geeignete reaktive Gruppe für die Programmierung des cpCARs zu finden. Im zweiten Schritt wurden Syntheserouten für die drei Pharmakophore Folat, c(RGD) und ein RGD-Peptidomimetikum entwickelt. Die Routen ermöglichen es das jeweilige Pharmakophor mit einer der reaktiven Gruppe aus dem ersten Schritt zu modifizieren. Zur Verbindung von Pharmakophor und reaktiver Gruppe, wurde die CuAAC als bioorthogonaler Ansatz gewählt. Insgesamt wurden im Rahmen dieser Arbeit drei verschiedene Pharmakophore mit dem 1,3-Diketon-Motiv von Verbindung 21 modifiziert. Mit den resultierenden Verbindungen 112, 113 und 128 wurde die Aktivierung der T-Zell-Signalkaskade bei Anwesenheit geeigneter Zielstrukturen untersucht. Bei 112 konnte nur eine leichte, nicht signifikante Aktivierung der T-Zell-Signalkaskade beobachtet werden, während bei 113 und 128 eine deutliche Aktivierung der T-Zell-Signalkaskade beobachtet wurde. Die schlechte Löslichkeit der Folatverbindungen führte zu Versuchen Folsäure gegen Pteroinsäure zu tauschen und die linearen Verbindungen zu trifunktionalen, dendrimeren Verbindungen mit weiteren Triethylenglycol-Ketten zu vergrößern. Neben dem publizierten Regioisomer in 112 trat bei der Zyklisierung des linearen RGD-Pentapeptides ein zweites Regioisomer auf, das zu 113 führte. Nachdem die veröffentlichte Syntheseroute eines RGD-Peptidomimetikums, das analog zu 128 ist, nicht reproduziert werden konnte, wurde eine neue Syntheseroute entwickelt. Sie besteht ebenfalls aus 17 Schritten, die Anzahl der linearen Schritte konnte jedoch von 13 auf 10 reduziert werden. Zusätzlich enthält die entwickelte Route einen asymmetrischen Hydrierungsschritt und ist durch den Einsatz der Kupfer-katalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) flexibler als die bereits publizierte Synthese. Während der Entwicklung der Syntheseroute wurde eine Reaktion beobachtet, die in der Literatur bisher nicht bekannt ist. Anstatt der Bildung eines Imins bei der reduktiven Aminierung von 129 kam es zu einer Insertion von Propargylamin, was zu 131 führte. Die Reaktion verläuft dabei nahezu quantitativ und in hoher Reinheit, so dass keine Aufreinigung notwendig ist. Sie könnte somit prädestiniert für industrielle Zwecke sein, wie zum Beispiel die Synthese von N-funktionalisieren 1,2-Dihydrochinolinen oder als Baustein mit mehreren funktionellen Gruppen, die orthogonal zu einander sind. Zusätzlich zum Sulfonamid 16, den Diketon- (21, 27, 31) und Lactamverbindungen (39 – 41), wurden Versuche zu Adaptermolekülen mit weiteren reaktiven Gruppen durchgeführt. Bei der Synthese eines Proadapter-Ansatzes, bei dem die reaktive Gruppe erst nach der vom mAb katalysierten Retroaldolreaktion entsteht, konnten 6 von 10 Schritten erfolgreich durchgeführt werden. Eine neu entwickelte Synthese von Keto-Sulfonyl- und Keto-Sulfoxid-Verbindungen konnte nicht abgeschlossen, aber im kleinen Maßstab bis zum Keto-Sulfonyl bzw. Keto-Sulfoxid durchgeführt werden. Des Weiteren wurde eine universelle Syntheseroute entworfen, um die Einführung der reaktiven Gruppe am Ende der Synthese durch Acylierung zu ermöglichen. So können nach den ersten 5 gemeinsamen Schritten, 3 davon in quantitativer Ausbeute, verschiedene reaktive Gruppen eingeführt werden. Darüber hinaus wird durch die Abwesenheit von Tautomerie oder labilen Gruppen sowohl die Aufreinigung als auch die Analytik der Verbindungen erleichtert. Die Acylierungsversuche waren jedoch weder mit dem Säurecyanid noch mit dem Weinreb-Amid erfolgreich. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit bewiesen werden, dass das 1,3-Diketon-Motiv eine geeignete reaktive Gruppe zur Programmierung des cpCARs ist, der von Hudecek et al. (bisher unveröffentlicht) entwickelt wurde. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die hapten-artigen Verbindungen gleichzeitig an Integrin ${\alpha}_v{\beta}_3$ und den cpCAR binden und die T-Zell-Signalkaskade aktivieren. Die modulare Synthesestrategie und der Einsatz der bioorthogonalen CuAAC für die Herstellung der Verbindungen ermöglichen einen unkomplizierten Zugang zu diesen wertvollen Immuntherapeutika, offenbarten jedoch die Notwendigkeit für einen zusätzlichen Reinigungsschritt zur Entfernung der Kupferionen. KW - Organische Synthese KW - Synthetische Biologie KW - Click-Chemie KW - Peptidsynthese KW - NMR-Spektroskopie KW - chemically programmable KW - chemisch programmierbar KW - CAR T cells KW - monoclonal antibodies KW - CAR T-Zellen KW - monoklonale Antikörper Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211385 ER - TY - JOUR A1 - Klement, Rainer J. A1 - Popp, Ilinca A1 - Kaul, David A1 - Ehret, Felix A1 - Grosu, Anca L. A1 - Polat, Bülent A1 - Sweeney, Reinhart A. A1 - Lewitzki, Victor T1 - Accelerated hyper-versus normofractionated radiochemotherapy with temozolomide in patients with glioblastoma: a multicenter retrospective analysis JF - Journal of Neuro-Oncology N2 - Background and Purpose The standard treatment of glioblastoma patients consists of surgery followed by normofractionated radiotherapy (NFRT) with concomitant and adjuvant temozolomide chemotherapy. Whether accelerated hyperfractionated radiotherapy (HFRT) yields comparable results to NFRT in combination with temozolomide has only sparsely been investigated. The objective of this study was to compare NFRT with HFRT in a multicenter analysis. Materials and Methods A total of 484 glioblastoma patients from four centers were retrospectively pooled and analyzed. Three-hundred-ten and 174 patients had been treated with NFRT (30 × 1.8 Gy or 30 × 2 Gy) and HFRT (37 × 1.6 Gy or 30 × 1.8 Gy twice/day), respectively. The primary outcome of interest was overall survival (OS) which was correlated with patient-, tumor- and treatment-related variables via univariable and multivariable Cox frailty models. For multivariable modeling, missing covariates were imputed using multiple imputation by chained equations, and a sensitivity analysis was performed on the complete-cases-only dataset. Results After a median follow-up of 15.7 months (range 0.8-88.6 months), median OS was 16.9 months (15.0-18.7 months) in the NFRT group and 14.9 months (13.2-17.3 months) in the HFRT group (p = 0.26). In multivariable frailty regression, better performance status, gross-total versus not gross-total resection, MGMT hypermethylation, IDH mutation, smaller planning target volume and salvage therapy were significantly associated with longer OS (all p < 0.01). Treatment differences (HFRT versus NFRT) had no significant effect on OS in either univariable or multivariable analysis. Conclusions Since HFRT with temozolomide was not associated with worse OS, we assume HFRT to be a potential option for patients wishing to shorten their treatment time. KW - temozolomide KW - accelerated hyperfractionation KW - altered fractionation KW - glioblastoma KW - radiotherapy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269806 SN - 1573-7373 VL - 156 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Bergmann, Tim Jonas T1 - Pathways in uremic cardiomyopathy – the intracellular orchestrator PGC-1α in cell culture and in a mouse model of uremia T1 - Intrazelluläre Vorgänge bei Urämischer Kardiomyopathie – die Rolle von PGC-1α in Zellkultur und im Mausmodell N2 - For the past 20 years, chronic kidney disease (CKD) has remained one of the major causes of death worldwide. Cardiovascular events account for approximately 50% of deaths in CKD patients, underscoring the clinical relevance of the observed cardiac changes. These changes define uremic cardiomyopathy (UCM) and include left-ventricular hypertrophy (LVH), LV dilatation, and LV systolic and diastolic dysfunction. LVH is seen as the primary manifestation of UCM and is caused by a multitude of different systems including in-creased pre- and afterload and the renin-angiotensin system (RAS). More recent studies found that myocardial dysfunction is apparent before changes in the ventricular geome-try, like hypertrophy, occur to the uremic heart. This leads to the conclusion that LVH is not the cause of cardiac dysfunction, but one of the alterations caused by factors related to the uremic state itself. Among these factors that are independent of pressure and vol-ume overload, are cardiotonic steroids as well as the parathyroid hormone and the endo-thelin (ET-1) system. But we suggest a different substance to play an important role in UCM: Urea. Patients in end-stage renal disease (ESRD) display increased oxidative stress and urea has been found to increase levels of oxidative stress, at least in endothelial cells. Therefore, we investigated the effect that elevated urea levels, as seen in patients undergoing dialysis, have on cardiomyocytes. As the oxidative stress in a cell is regulated by mitochondrial processes, we suspected the mitochondrial orchestrator PGC-1α to play an important role. The uremic heart is in a state of elevated oxidative stress. This has been presented by multiple authors before. By conducting immunofluorescent staining for reactive oxygen species (ROS), we tried to replicate their findings and illustrate elevated levels of ROS. As the fluorescence analysis did not bear significant results, we approached oxidative stress from a different angle: Via mass spectrometry, we looked at the amino acids methionine, cysteine and betaine which are highly involved in sustaining the oxidative balance in the cell. Our findings in the media of urea-treated HL-1 cells lead us to the conclusion, that these cardiomyocytes were in a state of low antioxidative resources. Next, to find the intracellular mechanisms that connect uremia to oxidative stress and compromised energetics, we investigated possible downstream effectors of uremia. The urea-treated cardiomyocytes exhibited significant alterations regarding upstream effec-tors of PGC-1α: The protein kinases Akt and Erk were expressed and phosphorylated dif-ferently in a western blot analysis of uremic h9c2 cells and in mice with induced kidney failure. To combine these findings regarding the protein kinases Akt and Erk and oxidative stress, the Erk/p38 pathways seems conclusive (figure 20). This pathway links uremia and oxidative stress to intracellular effectors that have been found to influence the develop-ment of uremic cardiomyopathy. Another life-threatening alteration in uremic cardiomyopathy is a corrupted cardiac func-tion. The myocardium of uremic patients has shown to be more susceptible to ischemic damage and most patients receiving dialysis experience repeated episodes of intradialytic impairments in cardiac function. The urea-treated cardiomyocytes had a significantly higher oxygen consumption rate due to an inefficiently increased metabolism, most likely caused by an increased level of uncoupling. Taken together, the results of this study indicate that urea by itself plays a role in the de-velopment of uremic cardiomyopathy. So-called high-physiologic levels of urea have led to a mitochondrial inefficiency and an increase of oxidative stress in cardiomyocytes. The protein kinases Akt and Erk may work as effectors of urea to induce these changes via the Erk/p38 pathway. It seems very likely that the mitochondrial changes are mediated by the mitochondrial orchestrator PGC-1α. These observations might lead to further studies in-vestigating urea levels in dialysis patients. In the future, these might lead to a change of practice regarding tolerated urea levels in dialysis and help reduce the cardiac mortality of patients with chronic kidney disease. N2 - Chronische Niereninsuffizienz ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Da etwa die Hälfte dieser Todesfälle auf kardiovaskuläre Ursachen zurückzuführen sind, ist ein genaues Verständnis der kardialen Veränderungen entscheidend. Zu diesen zählen links-ventrikuläre Hypertrophie, linksventrikuläre Dilatation sowie systolischer und diastoli-scher Funktionsverlust. Zusammen prägen diese Veränderungen den Begriff der Urämischen Kardiomyopathie (UCM). Verschiedene Systeme spielen bei UCM zusammen, wie beispielsweise eine erhöhte Vor- und Nachlast und das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS). Sie führen zur primären Manifestation der UCM: Die linksventrikuläre Hypertrophie (LVH). Allerdings konnten aktuellere Studien zeigen, dass die Funktion des urämischen Myokards bereits abnimmt, noch bevor Veränderungen der Ventrikelstruktur, wie Hypertrophie, messbar sind. Demnach ist LVH nicht einzig die Ursache des kardialen Funktionsverlusts, sondern eine von vielen Veränderungen bei chronischer Niereninsuffi-zienz. Zu den Faktoren, die unabhängig von Blutdruck und Volumensteigerung sind und eine Rolle bei den oben geschilderten Veränderungen spielen, gehören kardiotonische Steroide, das Parathyroidhormon und das Endothelinsystem (ET-1-System). Wir sehen Grund zur Annahme, dass Urea (Harnstoff) ein weiterer dieser Faktoren ist, der zu Verän-derungen des Herzmuskels führt und die Entstehung von UCM begünstigt. Dialysepatien-ten haben ein erhöhtes Level an oxidativem Stress und es wurde gezeigt, dass Urea in Endothelzellen zu erhöhtem oxidativem Stress führt. Deshalb behandelten wir Kardiomyozyten mit sogenannten hochphysiologischen Urea-Konzentrationen und untersuchten diese anschließend. Dabei setzten wir einen Schwerpunkt auf mitochondriale Prozesse, die zu erhöhtem oxidativen Stress führen können. Unser Interesse galt dabei insbesonde-re dem Transkriptionsfaktor PGC-1α, der als Regulator der Mitochondrien und Dirigent des intrazellulären Metabolismus gilt. Um ebenfalls erhöhte Konzentrationen von oxidativem Stress nachzuweisen, experimen-tierten wir mit immunofluoreszenten Färbungen. Hierdurch konnten wir nur einen Trend ohne Signifikanz feststellen. Deshalb näherten wir uns dem Problem aus einer anderen Richtung: mittels Massenspektrometrie. Wir untersuchten die Aminosäuren Methionin, Cystein und Betain, die für die Regulation des oxidativen Gleichgewichts wichtig sind. Im Medium von mit Urea behandelten HL-1 Zellen konnten wir nachweisen, dass die untersuchten Kardiomyozyten signifikant geringere Konzentrationen an antioxidativ wirkenden Aminosäuren hatten. Als nächstes untersuchten wir die intrazellulären Mechanismen zwischen Urämie und oxidativem Stress. In den mit Urea behandelten h9c2 Zellen und im Mausmodell fand sich eine signifikante Konzentrationssteigerung der Proteinkinase B (PKB/Akt) und Proteinkinase Erk. Diese Enzyme beeinflussen auch den Transkriptionsfaktor PGC-1α. Zusammenfüh-ren lassen sich unsere bisherigen Ergebnisse mittels der Erk/p38 Signalskaskade (Abb. 20). Urämie führt darin über Oxidativem Stress zu einer Beeinflussung intrazellulärer Effektoren, die zur Entstehung von Urämischer Kardiomyopathie beitragen. Eine weitere lebensbedrohliche Komplikation von Urämischer Kardiomyopathie ist die Verringerung der Herzfunktion. Bei urämischen Patienten ist das Myokard anfälliger für ischämiebedingten Schaden und bei den meisten Dialysepatienten zeigen sich wiederholt Episoden, in denen die Herzfunktion geschwächt ist. In der Zellkultur konnten wir dazu passende Veränderungen nachweisen. Aufgrund eines ineffizienten Metabolismus verbrauchten die mit Urea behandelten Zellen signifikant mehr Sauerstoff. Ursache dafür ist wahrscheinlich ein vermehrtes Entkoppeln (Uncoupling) der Mitochondrien. Zusammengefasst zeigt diese Studie, dass Urea in der Entwicklung von Urämischer Kardiomyopathie eine wichtige Rolle spielt. Hoch-physiologische Konzentrationen von Urea im Blut führen über die Erk/p38 Signalkaskade und die Proteinkinasen PKB und Erk zu einer ineffizienten Funktion der Mitochondrien und erhöhen den intrazellulären oxidativen Stress. Wir halten es für wahrscheinlich, dass der Transkriptionsfaktor PGC-1α die dazu führenden mitochondrialen Veränderungen reguliert. Diese Erkenntnisse können weitere Studien anregen, die die tolerierte Konzentration von Urea bei Dialysepatienten untersu-chen. Zukünftig kann dies zu einer strengeren Einstellung der Urea-Werte bei Dialysepati-enten führen. Möglicherweise lässt sich dadurch die Mortalität der Patienten mit chroni-scher Niereninsuffizienz senken. KW - Urämie KW - Peroxisomen-Proliferator-aktivierter Rezeptor KW - Nierenversagen KW - Chronische Niereninsuffizienz KW - Urämische Kardiomyopathie KW - Uremic cardiomyopathy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287061 ER - TY - JOUR A1 - Campana, Francesca Calà A1 - Borzì, Alfio T1 - On the SQH Method for Solving Differential Nash Games JF - Journal of Dynamical and Control Systems N2 - A sequentialquadratic Hamiltonian schemefor solving open-loop differential Nash games is proposed and investigated. This method is formulated in the framework of the Pontryagin maximum principle and represents an efficient and robust extension of the successive approximations strategy for solving optimal control problems. Theoretical results are presented that prove the well-posedness of the proposed scheme, and results of numerical experiments are reported that successfully validate its computational performance. KW - successive approximations strategy KW - sequential quadratic hamiltonian method KW - differential nash games KW - pontryagin maximum principle Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269111 SN - 1573-8698 VL - 28 ER - TY - JOUR A1 - Franz, David J. T1 - Is Applied Ethics Morally Problematic? JF - Journal of Academic Ethics N2 - This paper argues that applied ethics can itself be morally problematic. As illustrated by the case of Peter Singer’s criticism of social practice, morally loaded communication by applied ethicists can lead to protests, backlashes, and aggression. By reviewing the psychological literature on self-image, collective identity, and motivated reasoning three categories of morally problematic consequences of ethical criticism by applied ethicists are identified: serious psychological discomfort, moral backfiring, and hostile conflict. The most worrisome is moral backfiring: psychological research suggests that ethical criticism of people’s central moral convictions can reinforce exactly those attitudes. Therefore, applied ethicists unintentionally can contribute to a consolidation of precisely those social circumstances that they condemn to be unethical. Furthermore, I argue that the normative concerns raised in this paper are not dependent on the commitment to one specific paradigm in moral philosophy. Utilitarianism, Aristotelian virtue ethics, and Rawlsian contractarianism all provide sound reasons to take morally problematic consequences of ethical criticism seriously. Only the case of deontological ethics is less clear-cut. Finally, I point out that the issues raised in this paper provide an excellent opportunity for further interdisciplinary collaboration between applied ethics and social sciences. I also propose strategies for communicating ethics effectively. KW - consequences of ethical criticism KW - applied ethics KW - motivated reasoning KW - Peter Singer KW - interdisciplinary moral philosophy KW - moral reasoning Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269095 SN - 1572-8544 VL - 20 ER - TY - JOUR A1 - Fuchs, Andreas A1 - Kreczy, Dorothea A1 - Brückner, Theresa A1 - Gbureck, Uwe A1 - Stahlhut, Philipp A1 - Bengel, Melanie A1 - Hoess, Andreas A1 - Nies, Berthold A1 - Bator, Julia A1 - Klammert, Uwe A1 - Linz, Christian A1 - Ewald, Andrea T1 - Bone regeneration capacity of newly developed spherical magnesium phosphate cement granules JF - Clinical Oral Investigations N2 - Objectives Magnesium phosphate-based cements begin to catch more attention as bone substitute materials and especially as alternatives for the more commonly used calcium phosphates. In bone substitutes for augmentation purposes, atraumatic materials with good biocompatibility and resorbability are favorable. In the current study, we describe the in vivo testing of novel bone augmentation materials in form of spherical granules based on a calcium-doped magnesium phosphate (CaMgP) cement. Materials and Methods Granules with diameters between 500 and 710 μm were fabricated via the emulsification of CaMgP cement pastes in a lipophilic liquid. As basic material, two different CaMgP formulations were used. The obtained granules were implanted into drill hole defects at the distal femoral condyle of 27 New Zealand white rabbits for 6 and 12 weeks. After explantation, the femora were examined via X-ray diffraction analysis, histological staining, radiological examination, and EDX measurement. Results Both granule types display excellent biocompatibility without any signs of inflammation and allow for proper bone healing without the interposition of connective tissue. CaMgP granules show a fast and continuous degradation and enable fully adequate bone regeneration. Conclusions Due to their biocompatibility, their degradation behavior, and their completely spherical morphology, these CaMgP granules present a promising bone substitute material for bone augmentation procedures, especially in sensitive areas. Clinical Relevance The mostly insufficient local bone supply after tooth extractions complicates prosthetic dental restoration or makes it even impossible. Therefore, bone augmentation procedures are oftentimes inevitable. Spherical CaMgP granules may represent a valuable bone replacement material in many situations. KW - implantation KW - calcium-magnesium phosphate cement KW - cement pastes KW - prefabricated granules KW - bone replacement material Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-268872 SN - 1436-3771 VL - 26 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Weber, Heike A1 - Maihofer, Adam X. A1 - Jaksic, Nenad A1 - Bojic, Elma Feric A1 - Kucukalic, Sabina A1 - Dzananovic, Emina Sabic A1 - Uka, Aferdita Goci A1 - Hoxha, Blerina A1 - Haxhibeqiri, Valdete A1 - Haxhibeqiri, Shpend A1 - Kravic, Nermina A1 - Umihanic, Mirnesa Muminovic A1 - Franc, Ana Cima A1 - Babic, Romana A1 - Pavlovic, Marko A1 - Mehmedbasic, Alma Bravo A1 - Aukst-Margetic, Branka A1 - Kucukalic, Abdulah A1 - Marjanovic, Damir A1 - Babic, Dragan A1 - Jakovljevic, Miro A1 - Sinanovic, Osman A1 - Avidbegović, Esmina A1 - Agani, Ferid A1 - Warrings, Bodo A1 - Domschke, Katharina A1 - Nievergelt, Caroline M. A1 - Dzubur-Kulenovic, Alma A1 - Erhardt, Angelika T1 - Association of polygenic risk scores, traumatic life events and coping strategies with war-related PTSD diagnosis and symptom severity in the South Eastern Europe (SEE)-PTSD cohort JF - Journal of Neural Transmission N2 - Objectives Posttraumatic stress disorder (PTSD) is triggered by extremely stressful environmental events and characterized by high emotional distress, re-experiencing of trauma, avoidance and hypervigilance. The present study uses polygenic risk scores (PRS) derived from the UK Biobank (UKBB) mega-cohort analysis as part of the PGC PTSD GWAS effort to determine the heritable basis of PTSD in the South Eastern Europe (SEE)-PTSD cohort. We further analyzed the relation between PRS and additional disease-related variables, such as number and intensity of life events, coping, sex and age at war on PTSD and CAPS as outcome variables. Methods Association of PRS, number and intensity of life events, coping, sex and age on PTSD were calculated using logistic regression in a total of 321 subjects with current and remitted PTSD and 337 controls previously subjected to traumatic events but not having PTSD. In addition, PRS and other disease-related variables were tested for association with PTSD symptom severity, measured by the Clinician Administrated PTSD Scale (CAPS) by liner regression. To assess the relationship between the main outcomes PTSD diagnosis and symptom severity, each of the examined variables was adjusted for all other PTSD related variables. Results The categorical analysis showed significant polygenic risk in patients with remitted PTSD and the total sample, whereas no effects were found on symptom severity. Intensity of life events as well as the individual coping style were significantly associated with PTSD diagnosis in both current and remitted cases. The dimensional analyses showed as association of war-related frequency of trauma with symptom severity, whereas the intensity of trauma yielded significant results independently of trauma timing in current PTSD. Conclusions The present PRS application in the SEE-PTSD cohort confirms modest but significant polygenic risk for PTSD diagnosis. Environmental factors, mainly the intensity of traumatic life events and negative coping strategies, yielded associations with PTSD both categorically and dimensionally with more significant p-values. This suggests that, at least in the present cohort of war-related trauma, the association of environmental factors and current individual coping strategies with PTSD psychopathology was stronger than the polygenic risk. KW - life events KW - PTSD KW - CAPS KW - polygenic risk score KW - coping style Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-268541 SN - 1435-1463 VL - 129 IS - 5-6 ER - TY - JOUR A1 - Steinhardt, Maximilian J. A1 - Krummenast, Franziska C. A1 - Rosenwald, Andreas A1 - Gerhard-Hartmann, Elena A1 - Heidemeier, Anke A1 - Einsele, Hermann A1 - Topp, Max S. A1 - Duell, Johannes T1 - R-CHOP intensification with mid-cycle methotrexate and consolidating AraC/TT with BCNU/aHSCT in primary aggressive lymphoma with CNS involvement JF - Journal of Cancer Research and Clinical Oncology N2 - Purpose Patients suffering from aggressive systemic peripheral lymphoma with primary central nervous system involvement (PCL) are a rare and sparsely investigated population. Recommended treatment regimens include a combination of intrathecal and systemic chemotherapy as well as whole brain radiotherapy while offering relatively poor survival. Methods We conducted a single-center retrospective study that analyzed safety and outcome of 4 + 4 cycles Rituximab (R)-CHOP and R-high-dose Methotrexate (HD-MTX) for newly diagnosed, transplant-eligible patients ("Ping-Pong"), followed by Cytarabine (AraC)/Thiotepa (TT), BCNU/TT, and autologous hematologic stem cell transplantation (aHSCT). We retrospectively analyzed a set of 16 patients with high-intermediate or high-risk IPI status. Results Overall response rate to Ping-Pong was 100% measured by CT/MRI, including 93.75% complete remissions after BCNU/TT followed by PBSCT. One patient failed to qualify for high-dose chemotherapy due to progression when receiving Cytarabine/TT. All patients experienced grade III adverse events, 3 of them a grade IV adverse event. Estimated progression-free survival is 93.75% after a 4.8-year follow-up currently. Conclusion Our study suggests high effectivity of R-CHOP with mid-cycle MTX with aHSCT consolidation towards acceptable OS results in this challenging patient population. KW - lymphoma KW - HD KW - MTX KW - R-CHOP Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-267731 SN - 1432-1335 VL - 148 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Murali, Supriya A1 - Händel, Barbara T1 - Motor restrictions impair divergent thinking during walking and during sitting JF - Psychological Research N2 - Creativity, specifically divergent thinking, has been shown to benefit from unrestrained walking. Despite these findings, it is not clear if it is the lack of restriction that leads to the improvement. Our goal was to explore the effects of motor restrictions on divergent thinking for different movement states. In addition, we assessed whether spontaneous eye blinks, which are linked to motor execution, also predict performance. In experiment 1, we compared the performance in Guilford's alternate uses task (AUT) during walking vs. sitting, and analysed eye blink rates during both conditions. We found that AUT scores were higher during walking than sitting. Albeit eye blinks differed significantly between movement conditions (walking vs. sitting) and task phase (baseline vs. thinking vs. responding), they did not correlate with task performance. In experiment 2 and 3, participants either walked freely or in a restricted path, or sat freely or fixated on a screen. When the factor restriction was explicitly modulated, the effect of walking was reduced, while restriction showed a significant influence on the fluency scores. Importantly, we found a significant correlation between the rate of eye blinks and creativity scores between subjects, depending on the restriction condition. Our study shows a movement state-independent effect of restriction on divergent thinking. In other words, similar to unrestrained walking, unrestrained sitting also improves divergent thinking. Importantly, we discuss a mechanistic explanation of the effect of restriction on divergent thinking based on the increased size of the focus of attention and the consequent bias towards flexibility. KW - creativity KW - humans KW - sitting KW - walking KW - thinking Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-267722 SN - 1430-2772 VL - 86 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Gernert, Michael A1 - Tony, Hans-Peter A1 - Schwanek, Eva Christina A1 - Gadeholt, Ottar A1 - Fröhlich, Matthias A1 - Portegys, Jan A1 - Strunz, Patrick-Pascal A1 - Schmalzing, Marc T1 - Lymphocyte subsets in the peripheral blood are disturbed in systemic sclerosis patients and can be changed by immunosuppressive medication JF - Rheumatology International N2 - Systemic sclerosis (SSc) is a severe chronic disease with a broad spectrum of clinical manifestations. SSc displays disturbed lymphocyte homeostasis. Immunosuppressive medications targeting T or B cells can improve disease manifestations. SSc clinical manifestations and immunosuppressive medication in itself can cause changes in lymphocyte subsets. The aim of this study was to investigate peripheral lymphocyte homeostasis in SSc with regards to the immunosuppression and to major organ involvement. 44 SSc patients and 19 healthy donors (HD) were included. Immunophenotyping of peripheral whole blood by fluorescence-activated cell sorting was performed. Cytokine secretions of stimulated B cell cultures were measured. SSc patients without immunosuppression compared to HD displayed lower γδ T cells, lower T helper cells (CD3+/CD4+), lower transitional B cells (CD19+/CD38++/CD10+/IgD+), lower pre-switched memory B cells (CD19+/CD27+/IgD+), and lower post-switched memory B cells (CD19+/CD27+/IgD-). There was no difference in the cytokine production of whole B cell cultures between SSc and HD. Within the SSc cohort, mycophenolate intake was associated with lower T helper cells and lower NK cells (CD56+/CD3-). The described differences in peripheral lymphocyte subsets between SSc and HD generate further insight in SSc pathogenesis. Lymphocyte changes under effective immunosuppression indicate how lymphocyte homeostasis in SSc might be restored. KW - mycophenolate KW - systemic sclerosis KW - scleroderma KW - memory B cells KW - B cell culture KW - cytokines KW - γδ T cells KW - immunophenotyping Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266482 SN - 1437-160X VL - 42 IS - 8 ER - TY - JOUR A1 - Lippert, Juliane A1 - Fassnacht, Martin A1 - Ronchi, Cristina L. T1 - The role of molecular profiling in adrenocortical carcinoma JF - Clinical Endocrinology N2 - Adrenocortical carcinoma (ACC) is a rare, aggressive cancer with still partially unknown pathogenesis, heterogenous clinical behaviour and no effective treatment for advanced stages. Therefore, there is an urgent clinical unmet need for better prognostication strategies, innovative therapies and significant improvement of the management of the individual patients. In this review, we summarize available studies on molecular prognostic markers and markers predictive of response to standard therapies as well as newly proposed drug targets in sporadic ACC. We include in vitro studies and available clinical trials, focusing on alterations at the DNA, RNA and epigenetic levels. We also discuss the potential of biomarkers to be implemented in a clinical routine workflow for improved ACC patient care. KW - adrenocortical cancer KW - biomarkers KW - precision medicine KW - prognosis KW - targeted treatment Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258382 VL - 97 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Käthner, Ivo A1 - Eidel, Matthias A1 - Häge, Anne-Sophie A1 - Gram, Annika A1 - Pauli, Paul T1 - Observing physicians acting with different levels of empathy modulates later assessed pain tolerance JF - British Journal of Health Psychology N2 - Objectives The patient–physician relationship is essential for treatment success. Previous studies demonstrated that physicians who behave empathic in their interaction with patients have a positive effect on health outcomes. In this study, we investigated if the mere perception of physicians as empathic/not empathic modulates pain despite an emotionally neutral interaction with the patients. Methods N = 60 women took part in an experimental study that simulated a clinical interaction. In the paradigm, each participant watched two immersive 360° videos via a head-mounted display from a patient’s perspective. The physicians in the videos behaved either empathic or not empathic towards a third person. Importantly, these physicians remained emotionally neutral in the subsequent virtual interaction with the participants. Finally, participants received a controlled, painful pressure stimulus within the narratives of the videos. Results The physicians in the high compared with the low empathy videos were rated as more empathic and more likable, indicating successful experimental manipulation. In spite of later neutral behaviour of physicians, this short observation of physicians’ behaviour towards a third person was sufficient to modulate pain tolerance of the participants. Conclusions The finding of this study that the mere observation of physicians’ behaviour towards a third person modulates pain, despite a neutral direct interaction with the participants, has important clinical implications. Further, the proposed paradigm enables investigating aspects of patient–physician communication that are difficult to examine in a clinical setting. KW - patient–physician relationship KW - empathy KW - psychology KW - pain KW - 360° videos Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258368 VL - 27 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Heß, Verena A1 - Meng, Karin A1 - Schulte, Thomas A1 - Neuderth, Silke A1 - Bengel, Jürgen A1 - Faller, Hermann A1 - Schuler, Michael T1 - Decreased mental health, quality of life, and utilization of professional help in cancer patients with unexpressed needs: A longitudinal analysis JF - Psycho-Oncology N2 - Background Cancer patients' mental health and quality of life can be improved through professional support according to their needs. In previous analyses of the UNSAID study, we showed that a relevant proportion of cancer patients did not express their needs during the admission interview of inpatient rehabilitation. We now examine trajectories of mental health, quality of life, and utilization of professional help in cancer patients with unexpressed needs. Methods We enrolled 449 patients with breast, prostate, and colon cancer at beginning (T0) and end (T1) of a 3-week inpatient rehabilitation and 3 (T2) and 9 (T3) months after discharge. We explored depression (PHQ-2), anxiety (GAD-2), emotional functioning (EORTC QLQ-C30), fear of progression (FoP-Q-SF), and global quality of life (EORTC QLQ-C30) using structuring equation models. Furthermore, we evaluated self-reports about expressing needs and utilization of professional help at follow-up. Results Patients with unexpressed needs (24.3%, n = 107) showed decreased mental health compared to other patients (e.g., depression: d T0 = 0.32, d T1-T3 = 0.39). They showed a significant decline in global quality of life at discharge and follow-up (d = 0.28). Furthermore, they had a higher need for support (Cramer's V T2 = 0.10, T3 = 0.15), talked less about their needs (Cramer’s V T2 = 0.18), and made less use of different health care services at follow-up. Conclusion Unexpressed needs in cancer patients may be a risk factor for decreased mental health, quality of life, and non-utilization of professional help in the long term. Further research should clarify causal relationships and focus on this specific group of patients to improve cancer care. KW - cancer KW - longitudinal decrease KW - mental health KW - psycho-oncology KW - quality of life KW - unexpressed needs Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257662 VL - 31 IS - 5 ER - TY - JOUR A1 - Sperlich, Andreas A1 - Auth, Michael A1 - Dyakonov, Vladimir T1 - Charge transfer in ternary solar cells employing two fullerene derivatives: where do electrons go? BT - Dedicated to Prof. Sariciftci on the occasion of his 60th birthday JF - Israel Journal of Chemistry N2 - Earlier reports demonstrated that ternary organic solar cells (OSC) made of donor polymers (D) blended with different mixtures of fullerene acceptors (A : A) performed very similarly. This finding is surprising, as the corresponding fullerene LUMO levels are slightly different, which might result in decisive differences in the charge transfer step. We investigate ternary OSC (D : A : A) made of the donor polymer P3HT with stoichiometric mixtures of different fullerene derivatives, PC\(_{60}\)BM : PC\(_{70}\)BM and PC\(_{70}\)BM : IC\(_{60}\)BA, respectively. Using quantitative electron paramagnetic resonance (EPR) we can distinguish between positive and negative polarons, localized on the specific molecules. We found that after the initial charge transfer step, the electrons are re-distributed over two nearby acceptors in agreement with their stoichiometry and their relative LUMO energy difference. Remarkably, the measured ΔLUMO differences in fullerene mixtures are reduced by an order of magnitude compared to that of the pristine materials, i. e., below 1 meV for PC\(_{60}\)BM : PC\(_{70}\)BM and (20±5) meV for PC\(_{70}\)BM : IC\(_{60}\)BA. Furthermore, we found that this reduced ΔLUMO explains the shift in open circuit voltage for D : A : A organic solar cells. We attribute these findings to hybridization, leading to an effective fullerene LUMO. Consequently, multi-acceptor blends are indeed a viable option for photodetectors and solar cells, as they combine the best electron acceptor and light absorbing properties. KW - ternary organic solar cells Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257506 VL - 62 IS - 7-8 ER - TY - JOUR A1 - Zhou, Xiang A1 - Ruckdeschel, Anna A1 - Peter, Jessica A1 - Böckle, David A1 - Hornburger, Hannah A1 - Danhof, Sophia A1 - Steinhardt, Maximilian Johannes A1 - Heimeshoff, Larissa A1 - Einsele, Hermann A1 - Kortüm, Klaus Martin A1 - Rasche, Leo T1 - Salvage therapy with "Dara-KDT-P(A)CE" in heavily pretreated, high-risk, proliferative, relapsed/refractory multiple myeloma JF - Hematological Oncology N2 - The multi-agent therapy “VDT-PACE” represents an established regimen in relapsed/refractory multiple myeloma (RRMM). Here, we report on our experience with a “modified VDT-PACE” incorporating new generation anti-MM agents daratumumab and carfilzomib (“Dara-KDT-P(A)CE”). We retrospectively analyzed 38 patients with RRMM treated with “Dara-KDT-P(A)CE”. The median age was 62 (range 45–82) years, and the patients were heavily pretreated with a median of 5 (range 2–12) prior lines of therapy. Twenty-one (55%) patients suffered from penta-refractory MM. High-risk cytogenetics was present in 31 (81%) patients. The patients received a median of 2 (range 1–10) cycles of this therapy, and the overall response rate (ORR) was 70%. Patients with penta-refractory MM and high-risk cytogenetics showed similar ORR of 65% and 79%, respectively. The median progression-free survival (PFS) and overall survival were 4.1 (95% CI 2.7–5.4) and 8.4 (95% CI 6.7–10.0) months, respectively. Patients with lactate dehydrogenase >250 IU/L showed significantly shorter PFS in comparison with others patients (p = 0.006). We used this regimen as bridging therapy prior to chimeric antigen receptor T-cell infusion in four patients. In conclusion, “Dara-KDT-P(A)CE” is an effective salvage therapy for patients with heavily pretreated, multi-refractory, high-risk RRMM lacking alternative options. KW - Dara-KDT-P(A)CE KW - multiple myeloma KW - refractory KW - salvage Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257495 VL - 40 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Beer, Katharina A1 - Härtel, Stephan A1 - Helfrich-Förster, Charlotte T1 - The pigment-dispersing factor neuronal network systematically grows in developing honey bees JF - The Journal of Comparative Neurology N2 - The neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF) plays a prominent role in the circadian clock of many insects including honey bees. In the honey bee brain, PDF is expressed in about 15 clock neurons per hemisphere that lie between the central brain and the optic lobes. As in other insects, the bee PDF neurons form wide arborizations in the brain, but certain differences are evident. For example, they arborize only sparsely in the accessory medulla (AME), which serves as important communication center of the circadian clock in cockroaches and flies. Furthermore, all bee PDF neurons cluster together, which makes it impossible to distinguish individual projections. Here, we investigated the developing bee PDF network and found that the first three PDF neurons arise in the third larval instar and form a dense network of varicose fibers at the base of the developing medulla that strongly resembles the AME of hemimetabolous insects. In addition, they send faint fibers toward the lateral superior protocerebrum. In last larval instar, PDF cells with larger somata appear and send fibers toward the distal medulla and the medial protocerebrum. In the dorsal part of the medulla serpentine layer, a small PDF knot evolves from which PDF fibers extend ventrally. This knot disappears during metamorphosis and the varicose arborizations in the putative AME become fainter. Instead, a new strongly stained PDF fiber hub appears in front of the lobula. Simultaneously, the number of PDF neurons increases and the PDF neuronal network in the brain gets continuously more complex. KW - apis mellifera KW - circadian clock KW - immunohistochemistry KW - larval and pupal development KW - neuroanatomy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257300 VL - 530 IS - 9 ER - TY - JOUR A1 - Kim, Jin Hong A1 - Schembri, Tim A1 - Bialas, David A1 - Stolte, Matthias A1 - Würthner, Frank T1 - Slip‐Stacked J‐Aggregate Materials for Organic Solar Cells and Photodetectors BT - This paper is dedicated to Prof. Daoben Zhu on the occasion of his 80th birthday JF - Advanced Materials N2 - Dye–dye interactions affect the optical and electronic properties in organic semiconductor films of light harvesting and detecting optoelectronic applications. This review elaborates how to tailor these properties of organic semiconductors for organic solar cells (OSCs) and organic photodiodes (OPDs). While these devices rely on similar materials, the demands for their optical properties are rather different, the former requiring a broad absorption spectrum spanning from the UV over visible up to the near‐infrared region and the latter an ultra‐narrow absorption spectrum at a specific, targeted wavelength. In order to design organic semiconductors satisfying these demands, fundamental insights on the relationship of optical properties are provided depending on molecular packing arrangement and the resultant electronic coupling thereof. Based on recent advancements in the theoretical understanding of intermolecular interactions between slip‐stacked dyes, distinguishing classical J‐aggregates with predominant long‐range Coulomb coupling from charge transfer (CT)‐mediated or ‐coupled J‐aggregates, whose red‐shifts are primarily governed by short‐range orbital interactions, is suggested. Within this framework, the relationship between aggregate structure and functional properties of representative classes of dye aggregates is analyzed for the most advanced OSCs and wavelength‐selective OPDs, providing important insights into the rational design of thin‐film optoelectronic materials. KW - crystal engineering KW - exciton coupling KW - J‐aggregates KW - organic photodiodes KW - organic solar cells Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276537 VL - 34 IS - 22 ER - TY - JOUR A1 - Schmid, Benedikt A1 - Griesel, Mirko A1 - Fischer, Anna-Lena A1 - Romero, Carolina S. A1 - Metzendorf, Maria-Inti A1 - Weibel, Stephanie A1 - Fichtner, Falk T1 - Awake prone positioning, high-flow nasal oxygen and non-invasive ventilation as non-invasive respiratory strategies in COVID-19 acute respiratory failure: a systematic review and meta-analysis JF - Journal of Clinical Medicine N2 - Background: Acute respiratory failure is the most important organ dysfunction of COVID-19 patients. While non-invasive ventilation (NIV) and high-flow nasal cannula (HFNC) oxygen are frequently used, efficacy and safety remain uncertain. Benefits and harms of awake prone positioning (APP) in COVID-19 patients are unknown. Methods: We searched for randomized controlled trials (RCTs) comparing HFNC vs. NIV and APP vs. standard care. We meta-analyzed data for mortality, intubation rate, and safety. Results: Five RCTs (2182 patients) were identified. While it remains uncertain whether HFNC compared to NIV alters mortality (RR: 0.92, 95% CI 0.65–1.33), HFNC may increase rate of intubation or death (composite endpoint; RR 1.22, 1.03–1.45). We do not know if HFNC alters risk for harm. APP compared to standard care probably decreases intubation rate (RR 0.83, 0.71–0.96) but may have little or no effect on mortality (RR: 1.08, 0.51–2.31). Conclusions: Certainty of evidence is moderate to very low. There is no compelling evidence for either HFNC or NIV, but both carry substantial risk for harm. The use of APP probably has benefits although mortality appears unaffected. KW - respiratory failure KW - non-invasive ventilation KW - high-flow nasal cannula KW - awake prone positioning KW - COVID-19 KW - systematic review Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255225 SN - 2077-0383 VL - 11 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Sitter, Magdalena A1 - Pecks, Ulrich A1 - Rüdiger, Mario A1 - Friedrich, Sabine A1 - Fill Malfertheiner, Sara A1 - Hein, Alexander A1 - Königbauer, Josefine T. A1 - Becke-Jakob, Karin A1 - Zöllkau, Janine A1 - Ramsauer, Babett A1 - Rathberger, Katharina A1 - Pontones, Constanza A. A1 - Kraft, Katrina A1 - Meybohm, Patrick A1 - Härtel, Christoph A1 - Kranke, Peter T1 - Pregnant and postpartum women requiring intensive care treatment for COVID-19 — first data from the CRONOS-registry JF - Journal of Clinical Medicine N2 - (1) Background: Data on coronavirus 2 infection during pregnancy vary. We aimed to describe maternal characteristics and clinical presentation of SARS-CoV-2 positive women requiring intensive care treatment for COVID-19 during pregnancy and postpartum period based on data of a comprehensive German surveillance system in obstetric patients. (2) Methods: Data from COVID-19 Related Obstetric and Neonatal Outcome Study (CRONOS), a prospective multicenter registry for SARS-CoV-2 positive pregnant women, was analyzed with respect to ICU treatment. All women requiring intensive care treatment for COVID-19 were included and compared regarding maternal characteristics, course of disease, as well as maternal and neonatal outcomes. (3) Results: Of 2650 cases in CRONOS, 101 women (4%) had a documented ICU stay. Median maternal age was 33 (IQR, 30–36) years. COVID-19 was diagnosed at a median gestational age of 33 (IQR, 28–35) weeks. As the most invasive form of COVID-19 treatment interventions, patients received either continuous monitoring of vital signs without further treatment requirement (n = 6), insufflation of oxygen (n = 30), non-invasive ventilation (n = 22), invasive ventilation (n = 28), or escalation to extracorporeal membrane oxygenation (n = 15). No significant clinical differences were identified between patients receiving different forms of ventilatory support for COVID-19. Prevalence of preterm delivery was significantly higher in women receiving invasive respiratory treatments. Four women died of COVID-19 and six fetuses were stillborn. (4) Conclusions: Our cohort shows that progression of COVID-19 is rare in pregnant and postpartum women treated in the ICU. Preterm birth rate is high and COVID-19 requiring respiratory support increases the risk of poor maternal and neonatal outcome. KW - maternal critical care KW - COVID-19 KW - ARDS KW - SARS-CoV-2 KW - pregnancy KW - obstetrics Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255257 SN - 2077-0383 VL - 11 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Schmidbauer, Moritz L. A1 - Ferse, Caroline A1 - Salih, Farid A1 - Klingner, Carsten A1 - Musleh, Rita A1 - Kunst, Stefan A1 - Wittstock, Matthias A1 - Neumann, Bernhard A1 - Schebesch, Karl-Michael A1 - Bösel, Julian A1 - Godau, Jana A1 - Lochner, Piergiorgio A1 - Adam, Elisabeth H. A1 - Jahnke, Kolja A1 - Knier, Benjamin A1 - Schirotzek, Ingo A1 - Müllges, Wolfgang A1 - Notz, Quirin A1 - Dengl, Markus A1 - Güldner, Andreas A1 - Onur, Oezguer A. A1 - Garcia Borrega, Jorge A1 - Dimitriadis, Konstantinos A1 - Günther, Albrecht T1 - COVID-19 and intracranial hemorrhage: a multicenter case series, systematic review and pooled analysis JF - Journal of Clinical Medicine N2 - Introduction: Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV2) profoundly impacts hemostasis and microvasculature. In the light of the dilemma between thromboembolic and hemorrhagic complications, in the present paper, we systematically investigate the prevalence, mortality, radiological subtypes, and clinical characteristics of intracranial hemorrhage (ICH) in coronavirus disease (COVID-19) patients. Methods: Following the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) guidelines, we performed a systematic review of the literature by screening the PubMed database and included patients diagnosed with COVID-19 and concomitant ICH. We performed a pooled analysis, including a prospectively collected cohort of critically ill COVID-19 patients with ICH, as part of the PANDEMIC registry (Pooled Analysis of Neurologic Disorders Manifesting in Intensive Care of COVID-19). Results: Our literature review revealed a total of 217 citations. After the selection process, 79 studies and a total of 477 patients were included. The median age was 58.8 years. A total of 23.3% of patients experienced the critical stage of COVID-19, 62.7% of patients were on anticoagulation and 27.5% of the patients received ECMO. The prevalence of ICH was at 0.85% and the mortality at 52.18%, respectively. Conclusion: ICH in COVID-19 patients is rare, but it has a very poor prognosis. Different subtypes of ICH seen in COVID-19, support the assumption of heterogeneous and multifaceted pathomechanisms contributing to ICH in COVID-19. Further clinical and pathophysiological investigations are warranted to resolve the conflict between thromboembolic and hemorrhagic complications in the future. KW - COVID-19 KW - intracranial hemorrhage KW - prognosis KW - anticoagulation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255236 SN - 2077-0383 VL - 11 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Groß, Lennart T1 - Point-spread function engineering for single-molecule localization microscopy in brain slices T1 - Modulation der Punktspreizfunktion für Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie in Hirnschnitten N2 - Single-molecule localization microscopy (SMLM) is the method of choice to study biological specimens on a nanoscale level. Advantages of SMLM imply its superior specificity due to targeted molecular fluorescence labeling and its enhanced tissue preservation compared to electron microscopy, while reaching similar resolution. To reveal the molecular organization of protein structures in brain tissue, SMLM moves to the forefront: Instead of investigating brain slices with a thickness of a few µm, measurements of intact neuronal assemblies (up to 100 µm in each dimension) are required. As proteins are distributed in the whole brain volume and can move along synapses in all directions, this method is promising in revealing arrangements of neuronal protein markers. However, diffraction-limited imaging still required for the localization of the fluorophores is prevented by sample-induced distortion of emission pattern due to optical aberrations in tissue slices from non-superficial planes. In particular, the sample causes wavefront dephasing, which can be described as a summation of Zernike polynomials. To recover an optimal point spread function (PSF), active shaping can be performed by the use of adaptive optics. The aim of this thesis is to establish a setup using a deformable mirror and a wavefront sensor to actively shape the PSF to correct the wavefront phases in a super-resolution microscope setup. Therefore, fluorescence-labeled proteins expressed in different anatomical regions in brain tissue will be used as experiment specimen. Resolution independent imaging depth in slices reaching tens of micrometers is aimed. N2 - Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie ist die Methode der Wahl zur Untersuchung biologische Proben im Bereich von Nanometern. Vorteile von Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie sind vor allem ihre hohe Spezifität von molekularen Farbstoffbindungen sowie die erreichte hohe Auflösung, die vergleichbar ist mit der elektronenmikroskopischen Auflösung, wobei in der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie keine Konservierung der Probe vorgenommen werden muss. Vor allem in der Untersuchung der molekularen Organisation von Proteinstrukturen konnte sich die Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie bewähren. Die Verteilung von Proteinen im gesamten Gehirn, sowie ihre Eigenschaft, sich entlang neuronaler Strukturen zu bewegen, kann mithilfe der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie untersucht werden und zu einem besseren Verständnis neuronaler Prozesse beitragen. Proben induzieren optische Aberrationen: Diese Dephasierungen der Wellenfront, welche als Summe von Zernike-Polynomen beschrieben werden kann, verhindert das Erreichen der Auflösungsgrenze. Zur Wiederherstellung einer optimalen Punktspreizfunktion kann die Wellenfront mittels adaptiver Optik aktiv geformt werden. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopes mit integrierter adaptiver Optik, bestehend aus einem deformierbaren Spiegel und einem Wellenfrontsensor, um aktiv die Wellenfront zu formen und die Dephasierung zu korrigieren. Zu diesem Zweck werden fluoreszenzmarkierte Proteine, welche in verschiedenen Hirnregionen exprimiert werden, als Proben herangezogen. Optimalerweise könnte so in verschiedenen Tiefen eine ähnliche Auflösung wie bei einer oberflächlichen Messung erreicht werden. Um die Möglichkeiten des Setups zu evaluieren, welches im Verlauf dieser Arbeit aufgebaut wurde, wurden artifizielle Proben erstellt, indem eine Einzelzellschicht hippocampaler Neuronen der Maus, in welchen α-tubulin mit Alexa Fluor 647 angefärbt ist, auf einem 100 µm Maushirnschnitt plaziert wurden. Da letzterer ein hochgradig diffuses Medium zwischen dem Objektiv und den Fluorophoren darstellt, induziert es verschiedene optische Aberrationen, vor allem Sphärische Aberration und Astigmatismus. Indem die Wellenfront und die Punktspreizfunktion von 4 µm Fluosphere Beads, welche eine maximale Emission bei 505 nm haben, und 0.1 µm Tetraspeck Beads, welche eine maximale Emission bei 505 nm zeigen, aufgenommen wurde, konnten die Aberrationen von 521 nm zu 116 nm Quadratmittel des Wellenfrontfehlers reduziert werden. Weiterhin konnten mithilfe der adaptiven Optik Bruchpilot-Anhäufungen in einem Hirnschnitt der Honigbiene in den Calyx der Pilzkörper in einer Messtiefe von 80 µm sichtbar gemacht werden, welche im unkorrigierten Bild nicht sichtbar waren, indem das Quadratmittel des Wellenfrontfehlers von 587 nm auf 196 nm reduziert wird. Insgesamt zeigt die Reduktion des Quadratmittels des Wellenfrontfehlers eine erfolgreiche Korrektur an, aber ist weit entfernt von einer Mikroskopiertechnik, die eine gewinnbringende Forschung in lebenswissenschaftlichen Bereichen garantiert. KW - Einzelmolekülmikroskopie KW - Adaptive Optik KW - dSTORM KW - Adaptive Optics KW - Single Molecule Localization Microscopy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282596 ER - TY - THES A1 - Mainz, Laura T1 - Cellular metabolism as target for cancer therapy T1 - Zellulärer Metabolismus als Krebstherapie-Target N2 - Due to a usually late diagnosis, drug resistance and early metastases, pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is the seventh leading cause of global cancer deaths. Thus, there is an urgent need to develop new therapeutic concepts. Two different approaches have in recent years become the focus of intense research: (1) targeting cancer-associated metabolic rearrangements, and (2) targeting genetic vulnerabilities with combination therapy. Both concepts potentially have advantages such as increased efficacy, which decreases the likelihood of therapy-resistance, and reduced side effects, that are often associated with high concentrations of chemotherapeutic drugs. Autophagy is an evolutionary conserved signalling pathway that regulates cellular homeostasis. Regarding cancer, autophagy can either promote or suppress tumor growth. However, mouse models that allow genetic regulation of autophagy in established tumor tissue are not yet established. Therefore, we analysed new inducible shRNA mouse models targeting Atg5 or Atg7 with regard to functionality and toxicity. Both, shRNA Atg5- and shRNA Atg7-mediated knockdown anteceded functional autophagy impairment, and revealed unexpected profound phenotypic differences. Knockdown of Atg5 neither impaired the animal nor caused any grossly or microscopically detectable organ damage, whereas knockdown of Atg7 caused pancreatic destruction and eventually death. It is currently unclear whether mice died as a result of exocrine or endocrine collapse or due to a combination of both. The presented mouse models are highly potent RNAi mice that allow widespread and regulable inhibition of autophagy upon administration of doxycycline and provide a valuable and versatile toolbox for future autophagy and cancer research. In PDAC, argininosuccinate synthase 1 (ASS1) deficiency has been associated with higher recurrence rates, shorter disease-free survival, and shorter overall survival. During cancer development, rate-limiting enzymes of de novo arginine synthesis, like ASS1 or OTC, are downregulated via epigenetic silencing of their respective promotor. Known as ‘arginine auxotrophy‘, loss of these essential enzymes results in dependence on extracellular arginine. Based on this assumption, sensitivity of various cell lines to arginine deprivation was reported. However, the underlying mechanism is still unclear and the anti-tumor effects of the monotherapy are not sufficient to completely abrogate cancer cells. Therefore, the effects of arginine deprivation via rhArgI-PEG5000 were investigated in murine and human PDAC cells. In this study, we highlighted that arginine deprivation induced profound alterations such as autophagosome accumulation, induction of senescence and the ISR in pancreatic cancer cells. These alterations are potential genetic vulnerabilities that can be targeted by additional means to induce tumor cell death. N2 - Infolge einer späten Diagnose, Therapie-Resistenz und unentdeckten Mikrometastasen wurde das duktale Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) zur siebthäufigsten krebsbedingten Todesursache weltweit. Dies verdeutlicht, dass dringend neue therapeutische Ansätze entwickelt werden müssen. In den vergangenen Jahren wurde unter anderem auf zwei Ansätze fokussiert: (1) Behandlung Tumor-assoziierter metabolischer Veränderungen und (2) Behandlung genetischer Schwachstellen mit Kombinationstherapie. Zum einen erhofft man sich eine erhöhte Wirksamkeit, die die Wahrscheinlichkeit von Therapie-Resistenzen reduziert, zum anderen verringerte Nebenwirkungen, die meist mit hohen Chemotherapeutika-Konzentrationen verbunden sind. Autophagie ist ein evolutionär konservierter Signalweg, der für die Regulation der zellulären Homöostase verantwortlich ist. Es ist bekannt, dass dieser das Tumorwachstum sowohl fördern, als auch unterdrücken kann. Jedoch sind Mausmodelle, die eine genetische Regulierung von Autophagie im etablierten Tumorgewebe ermöglichen, noch nicht etabliert. Aus diesem Grund wurden neue induzierbare shRNA-Mausmodelle gegen Atg5 oder Atg7 hinsichtlich Funktionalität und Toxizität analysiert. Nach Induktion führten beide shRNAs zum systemweiten Knockdown, der im weiteren Verlauf eine funktionelle Beeinträchtigung des Signalwegs zur Folge hatte. Jedoch traten unerwartete phänotypische Unterschiede auf. Der Atg5-Knockdown beeinträchtigte weder den Allgemeinzustand des Tieres noch verursachte es makroskopisch oder mikroskopisch nachweisbare Organschäden. Im Gegenteil dazu hatte der Atg7- Knockdown die Zerstörung des Pankreas und schließlich den Tod des Tieres zur Folge. Es bleibt unklar, ob die Tiere infolge eines exokrinen oder endokrinen Kollapses oder aufgrund einer Kombination aus beidem starben. Dennoch ermöglichen die vorgestellten Mausmodelle eine systemweite Regulation von Autophagie. Daher stellen sie eine wertvolle und vielseitige Methode für die zukünftige Autophagie- und Krebs-Forschung dar. Ein Argininosuccinate Synthase 1 (ASS1)-Mangel in PDAC-Patienten wird mit einem höheren Rezidiv, einem kürzeren krankheitsfreien Überleben und einem kürzeren Gesamtüberleben in Verbin-dung gebracht. Im Laufe der Entwicklung eines Tumors kommt es häufig zum Verlust essentieller Enzyme, wie ASS1 oder OTC, innerhalb der Arginine de novo Synthese. Bekannt als ‘Arginin-Auxotrophie‘, hat dies die Abhängig von extrazellulärem Arginine zur Folge. Basierend auf dieser Annahme, wurde die Sensibilität verschiedener Tumorzelllinien auf Argininentzug nachgewiesen. Jedoch ist der zugrunde liegende Mechanismus noch unklar und die Wirksamkeit nicht ausreichend, um alle Tumorzellen zu zerstören. Aus diesem Grund wurde der Effekt von Argininentzug mittels rhArgI-PEG5000-Behandlung auf murine und humane PDAC-Zellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Argininentzug Akkumulation von Autophagosomen, die Induktion von Seneszenz und die ISR zur Folge hatte. Diese Veränderungen stellen potentielle genetische Schwachstellen dar, die in Kombination mit anderen Medikamenten behandelt werden könnten, um Tumorzelltod zu induzieren. KW - Arginine KW - Autophagy KW - tumor metabolism KW - targeted therapy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211480 ER - TY - THES A1 - Liaqat, Anam T1 - Artificial Evolution of Nucleic Acid Catalysts and their Use for Studying RNA T1 - Artifizielle Evolution von katalytischen Nucleinsäuren und deren Anwendung für die Untersuchung von RNA N2 - RNA molecules play diverse roles in biological systems. Post-transcriptional RNA modifications and dynamic structures enhance the functional diversity of RNA. A prerequisite for studying their biological significance is the availability of reliable methods for the detection of RNA modifications and structures. Several promising approaches have been developed in the last few decades; however, efficient, and versatile tools are still required to study the dynamic features of RNA. This thesis focuses on the development of nucleic acid catalysts as a tool to address the current needs in studying RNA. The major part of this thesis aimed at the development of deoxyribozymes as a tool for the detection of RNA modifications. Using in vitro selection from a random DNA library, we found deoxyribozymes that are sensitive to N 6 -isopentenyladenosine (i6A), a native tRNA modification and structural analogue of m6A. The in vitro evolution identified three classes of DNA enzymes: AA, AB08, and AC17 DNAzymes that showed distinct response to i6A modification and showed strong discrimination between structural analogues, i.e., m6A and i6A. In the continuation of the project, we attempted to develop RNA-cleaving deoxyribozymes that differentially respond to monomethylated cytidine isomers, 3-methylcytidine (m3C), N4 - methylcytidine (m4C), and 5-methylcytidine (m5C). Several deoxyribozymes were identified from in vitro selection, which are selective for a specific methylated cytidine isomer. The characterization of AL112, AM101, AN05, and AK104 catalysts confirmed the successful evolution of modification-specific and general deoxyribozymes that showed a broad substrate scope. In order to accelerate the DNAzymes discovery, a high throughput sequencing method (DZ-seq) was established that directly quantifies the RNA cleavage activity and cleavage site from deep sequencing data. The libraries contained information about cleavage status, cleavage site and sequence of deoxyribozymes and RNA substrate. The fraction cleaved (FC) data obtained from Dz-seq was validated for a subset of deoxyribozmes using conventional gel based kinetic assay and showed a good linear correlation (R2 = 0.91). Dz-seq possesses a great potential for the discovery of novel deoxyribozymes for the analysis of various RNA modifications in the future. The second objective of the current study was the development of structure-specific RNA labeling ribozymes. Here, we attempted to develop ribozymes that targets RNA of interest by structure-specific interaction rather than base-pairing and focused on a specific RNA G-quadruplex as the target. Two subsequent selection experiments led to the identification of the adenylyltransferase ribozymes AO10.2 and AR9. The partial characterization of these catalysts showed that A010.2 was unable to recognize intact BCL2 structure, but it turned out as the first reported trans-active ribozyme that efficiently labeled uridine in a defined substrate RNA hybridized to the ribozyme. The other ribozyme AR9 was shown to serve as a trans-active, self-labeling ribozyme that catalyzed adenylyl transferase reaction in the presence of the intact BCL2 sequence. Based on these preliminary findings, we envision that AR9 could potentially serve as a reporter RNA by self-labeling in the presence of an RNA G-quadruplex. However, both AO10.2 and AR9 still require more detailed characterization for their potential applications. N2 - RNA hat zahlreiche Funktionen in verschiedensten biologischen Systemen. Sowohl posttranskriptionelle Modifikationen als auch die Dynamik der dreidimensionalen Struktur von RNA trägt zu deren funktionalen Diversität bei. Eine Voraussetzung, um die biologische Bedeutung von RNA genauer zu untersuchen, ist die Verfügbarkeit zuverlässiger Methoden zur Detektion von RNA-Modifikationen und -Strukturen. In den letzten Jahrzenten wurden hierfür zahlreiche vielversprechende Ansätze entwickelt und berichtet. Allerdings besteht weiterhin der Bedarf an effizienten und vielseitig einsetzbaren Hilfsmitteln, um die Dynamik von RNA weiter zu erforschen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Nucleinsäure basierten Katalysatoren, die in Zukunft als Werkzeug zur Untersuchung von RNA eingesetzt werden können. Der Großteil dieser Arbeit strebte die Entwicklung von Desoxyribozymen als Werkzeug für die Detektion von RNA-Modifikation an. Vor kurzem wurden m6A-sensitive DNA-Enzyme berichtet, die RNA schneiden können und damit Auskunft über deren Methylierungs-Status geben können. Diese sind auch in der Lage m6A in natürlichen RNAs wie lncRNAs und C/D box snoRNAs zu detektieren. Allerdings fehlen detaillierten strukturelle und mechanistische Erkenntnissen darüber, wie Desoxyribozyme solche Modifikationen detektieren. Deshalb ist es noch nicht möglich bereits vorhandene DNA-Enzyme umzuarbeiten, damit diese auch andere RNA-Modifikationen erkennen können. Aus diesem Grund fokussierten wir uns hier auf die Entwicklung neuer DNA-Enzyme für die Detektion von RNA-Modifikationen über m6A hinaus. Mit Hilfe von in vitro Selektion konnten wir ausgehend von einer randomisierten DNA-Bibliothek, Desoxyribozyme finden, die sensitiv gegenüber N6-Isopentenyladenosin (i6A) sind. Bei dieser Modifikation handelt es sich um ein strukturelles Analogon von m6A, die natürlicherweise in tRNA vorkommt. Als Ergebnis der in vitro Selektion konnten drei Klassen an DNA-Enzymen identifiziert werden: AA, AB08 und AC17 Desoxyribozyme. AA DNA-Enzyme spalteten unmodifizierte RNA und wurden durch i6A stark inhibiert. AB08 schnitten i6A-modifizierte RNA signifikant schneller als unmodifizierte RNA. Im Gegensatz hierzu zeigte AC17 ein einzigartiges Verhalten, indem es die Schneide-Position innerhalb der RNA um ein Nukleotid Richtung 5‘-Ende verschob, wenn eine i6A-Modifikation vorhanden war. Des weiteren konnten alle drei Klassen an DNA-Enzymen eindeutig zwischen m6A und i6A unterscheiden. Im weiteren Verlauf des Projektes strebten wir an RNA-schneidente Desoxyribozyme zu entwickeln, die die mono-methylierten Cytidin-Isomere 3-Methylcytidin (m3C), N4-Methylcytidin (m4C) und 5-Methylcytidine (m5C) voneinander unterscheiden können. Um vielseitigere DNA-Enzyme zu erhalten, benutzten wir RNA-Substrate, die ein randomisiertes Nukleotid in 5‘-Richtung neben dem methylierten Cytidin besaßen. Mehrere Desoxyribozyme konnten identifiziert werden, die selektiv und spezifisch für eines der methylierten Cytidin Isomere waren. Die Charakterisierung der DNA-Enzyme AL112, AM101, AN05 und AK104 bestätigte die erfolgreiche Evolution von einerseits modifikations-spezifischen sowie aber auch generellen DNA-Enzymen, die einen großen Substrat-Bereich abdecken. Zudem konnte gezeigt werden, dass AL112, AN05 und AK104 als programmierbare Werkzeuge zur Bestätigung von m3C- und m5C-Modifikationen in menschlicher mitochondrialen tRNA eingesetzt werden können. Um die Entdeckung von DNA-Enzymen weiter zu beschleunigen, wurde eine Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethode (DZ-seq) entwickelt. Diese nutzt die Sequenzierungsdaten, um direkt die Schneideaktivität einzelner Desoxyribozyme zu quantifizieren sowie die genaue Stelle der RNA-Spaltung festzustellen. Illumina Sequenzierungsbibliotheken wurden ausgehend von aktiven DNA-Pools hergestellt, welche an bestimmte RNA-Substrate ligiert wurden. Nachdem die Schneide-Reaktion stattgefunden hatte, wurden sowohl die geschnittenen als auch die ungeschnittenen Fraktionen mit Hilfe von Poly(A)-Polymerase verlängert, woraufhin eine reverse Transkription mit Oligo-dT Primern folgte. Zu diesem Zeitpunkt beinhalteten die Bibliotheken bereits Informationen über den Schneide-Status, die exakte Schnittstelle innerhalb der RNA sowie über die Sequenzen des entsprechenden DNA-Enzyms und der Substrat-RNA. Die Daten, die durch Dz-Seq über die Schneideaktivität der einzelnen Desoxyribozyme erhalten wurden, wurde für einen Teil der Enzyme anhand konventioneller, gel-basierter kinetischer Assays validiert. Diese zeigten eine gute lineare Korrelation (R2 = 0.91). Interessanterweise zeigte Dz-Seq aber nur eine schwache Korrelation zwischen der Schneideaktivität und der Häufigkeit der Desoxyribozyme in der letzten Runde der in vitro Selektion. Zum Beispiel war AM301 nur zu einem geringen Anteil im DZ-seq Datensatz zu finden, war jedoch sehr aktiv. Dies ist nur ein Beispiel des großen Potentials von DZ-seq für die Entdeckung neuer DNA-Enzyme, die für die zukünftige Analyse zahlreicher RNA-Modifikationen angewendet werden könnten. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung von Ribozymen, die spezifisch eine Ziel-RNA anhängig von deren Struktur markieren können. Die Inspiration hierfür stammt von den kürzlich berichteten Ribozymen FH14 und FJ1. Hierbei handelt es sich um Ribozyme, die über Watson-Crick-Basenpaarung ihre Ziel-RNA erkennen und diese dann sequenz-spezifisch markieren. Unser Ziel war es nun Ribozyme zu entwickeln, die ihre Ziel-RNA über Struktur-spezifische Wechselwirkungen anstelle von Basenpaarung erkennen. Hierbei fokussierten wir uns auf einen RNA G-Quadruplex als entscheidendes Strukturelement. Bei der in vitro Selektion wurde eine RNA Bibliothek verwendet, die kovalent an ein Fragment der 5‘-UTR der BCL2 RNA gebunden war. Von dieser RNA ist bekannt, dass sie einen G-Quadruplex formt. Zwei aufeinanderfolgende Selektionen führten zur Identifikation der Adenylyltransferasen AO10.2 und AR9. Die vorläufige Charakterisierung dieser beiden Ribozyme zeigte, dass AO10.2 die intakte BCL2-Struktur nicht erkennen kann. Stattdessen stellte sich heraus, dass dies das erste trans-aktive Ribozym ist, das effizient Uridin markieren kann, welches sich in einer definierten RNA-Struktur befindet, die mit dem Ribozym hybridisiert ist. Demnach hat es großes Potential als Werkzeug für die spezifische Markierung von RNA eingesetzt werden zu können. Beim zweiten Ribozym AR9 stellte sich heraus, dass es sich um ein trans-aktives, selbst-markierendes RNA-Enzym handelt, welches die gewünschte Reaktion nur bei Vorhandensein der intakten BCL2-Sequenz katalysiert. Basierend auf diesen vorläufigen Ergebnissen könnte AR9 als Reporter-RNA dienen, die sich RNA G-Quadruplexes selbst markiert. Allerdings benötigen sowohl AO10.2 als auch AR9 noch eine detailliertere Charakterisierung, bevor sie für potenzielle Anwendungen eingesetzt werden können. KW - Deoxyribozymes KW - Ribozymes KW - RNA modifications KW - RNA structures KW - RNA G-quadruplex Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-283111 ER - TY - THES A1 - Toksabay, Sinem T1 - Synthesis and on surface self assembly properties of pi extended tribenzotriquinacenes T1 - Synthese und selbstorganisierende Eigenschaften von pi-erweitertem Tribenzotriquinacenen an der Oberfläche N2 - Tribenzotriquinacene (TBTQ) is a polycyclic aromatic framework with a particularly rigid, C3v symmetrical, bowl-shaped core bearing three mutually fused indane wings. It has been discussed as a defect center for a nanographene by Kuck and colleagues. Therefore, extended TBTQ structures are promising models for saturated defect structures in graphene and graphene like molecules and could be used to investigate the role of defects for the electronic properties of graphene. With this motivation, three different pi-extended TBTQ derivatives have been synthesized in this work. Several different Scholl reaction conditions were tried to obtain fully annulated product of hexaphenyl substituted TBTQ. The desired benzannulated TBTQ derivative could not be obtained due to unfavourable electron density in the respective positions of the molecule and increased reactivity of the bay position of the precursor. As an another method for benzannulation is the on-surface synthesis of graphene flakes and can be carried out using electron beams e.g. in a tunneling microscope (STM). According to our previous research, the parent system TBTQ and centro-methyl TBTQ on silver and gold surfaces showed that the gas phase deposition of these molecules gives rise to the formation of highly ordered two-dimensional assemblies with unique structural features. This shows the feasibility for the formation of defective graphene networks starting from the parent structures. Therefore, the same deposition technique was used to deposit Me-TBTQ(OAc)3Ph6, and investigate the molecular self-assembly properties directly on the surface of Cu (111). In summary, the substrate temperature dependent self-assembly of Me-TBTQ(OAc)3Ph6 molecules on Cu(111), shows the following evolution of orientations. At room temperature, molecules form dimers, which construct a higher-coverage honeycomb lattice. Furthermore, one of the acetyl group located in the bay positions of the TBTQ core is cleaved and the remaining two induce the metal-molecule interaction. It was presumed that by increasing the temperature to 393 K, the remaining acetyl and methyl groups would beeliminated from the molecular structure.In addition, the smaller TBTQ-Ph6 molecules preferably lie flat on Cu(111) crystal and allowing the molecules to settle into a C3-symmetry and form a dense hexagonal structure. N2 - Tribenzotriquinacen (TBTQ) ist eine polyzyklische aromatische Verbindung mit einem besonders starren, C3v-symmetrischen, schalenförmigen Kern, der drei anellierte Indan-Flügel trägt. Es wurde von Kuck und Kollegen als Defektzentrum für Nanographen untersucht. Daher sind erweiterte TBTQ-Strukturen vielversprechende Modelle für gesättigte Defektstrukturen in Graphen und graphenähnlichen Molekülen, die dazu verwendet werden können, um die Rolle Defekten auf die Ausprägung der elektronischen Eigenschaften von Graphen zu untersuchen. Mit dieser Motivation wurden in dieser Arbeit drei verschiedene TBTQ-Derivate mit erweitertem -System synthetisiert. Um im Anschluss eine vollständige Annellierung und damit Konjugation des p-Systems zu erreichen, wurden verschiedene Scholl-Reaktionen getestet, um das dreifach anellierte Produkt aus hexaphenylsubstituiertem TBTQ zu erhalten. Das gewünschte benzannulierte TBTQ-Derivat konnte aufgrund der relativ geringen Elektronendichte an den Annellierungspositionen und der erhöhten Reaktivität der Bay-Positionen des Moleküls nicht erhalten werden. Eine weitere Möglichkeit zur Annellierung von Nanographenen besteht in der On-Surface-Synthese. Diese kann mit Elektronenstrahlen z.B. in einem Rastertunnelmikroskop (STM) durchgeführt werden. Nach unseren früheren Untersuchungen, hochauflösende STM-Experimente mit dem Stammsystem TBTQ und centro-methyl TBTQ auf Silber- und Goldoberflächen, dass die Gasphasenabscheidung dieser Moleküle zur Bildung hochgeordneter zweidimensionaler Assemblierte mit einzigartigen strukturellen Eigenschaften führt. Dies zeigt die Möglichkeit zur Bildung von defekthaltigen Graphen-Netzwerken ausgehend von den Stammsystemen. Daher wurde hier die gleiche Abscheidungstechnik verwendet, um für Me-TBTQ(OAc)3Ph6 die molekulare Selbstanordnung auf der Oberfläche von Cu(111) untersuchen. Zusammenfassend zeigt die Selbstorganisation von Me-TBTQ(OAc)3Ph6 auf Cu(111) eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit. Die Moleküle bilden bei 363 K ein höheres Wabengitter aus. Außerdem wird eine der Acetylgruppen, die sich in den Bay-Positionen des TBTQ-Kerns befinden, abgespalten und die verbleibenden Gruppen wechselwirken mit der Metalloberfläche. Daher stehen sich die Molekülschalen als einander zugewandte Halbkugeln gegenüber. Es wird vermutet, dass durch die Erhöhung der Temperatur auf 393 K die verbleibenden Acetyl- und Methylgruppen aus der Molekülstruktur eliminiert werden. Außerdem liegen die kleineren TBTQ-Ph6-Moleküle bevorzugt flach auf dem Cu (111) -Kristall, so dass sich die Moleküle in der C3-Symmetrie anordnen und eine dichte hexagonale Struktur bilden KW - Triquinacenderivate KW - Aromatisch anellierte Triquinacene KW - Aromatically annulated triquinacenes KW - Chemische Synthese KW - gekrümmte Kohlenwasserstoffe KW - curved hydrocarbons KW - triquinacene derivatives KW - on surface self-assembly Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245734 ER - TY - THES A1 - Berger, Sarina Maria T1 - Influence of Charge and Its Distribution on Biological Applications of Bis-Triarylboranes and Preliminary Investigations on H\(_2\)O\(_2\)-Cleavable Aryl Boronate Esters T1 - Einfluss der Ladung und ihrer Verteilung auf biologische Anwendungen von bis-Triarylboranen und vorläufige Untersuchungen von mit H\(_2\)O\(_2\) spaltbaren Arlyborsäureestern N2 - This dissertation describes the synthesis of an unsymmetrically-substituted triarylborane. This term describes a three-coordinate boron atom that is bound to three different aromatic systems, namely 2,6-dimethylphenyl, mesityl, and 4-(N,N-dimethylamino)-2,6-dimethylphenyl. It is also demonstrated that the amine functionality can be converted with methyl triflate into an ammonium moiety. The investigation of photophysical and electrochemical properties of this compound in comparison with the non-aminated and di-aminated analogues of the triarylborane is described besides other investigations of e. g. singlet oxygen sensitization, rotational barriers, and fundamental DFT calculations. Based on these investigations, selectively mono-, bis- and tris-dimethylamino- and trimethylammonium-substituted bis-triarylborane bithiophene chromophores were synthesized and their photophysical, and electrochemical properties were investigated together with the water solubility and singlet oxygen sensitizing efficiency of the cationic compounds Cat1+, Cat2+, Cat(i)2+, and Cat3+. Comparing these properties with the results obtained for the mono-triarylboranes reveals a large influence of the bridging unit on the investigated properties of the bis-triarylboranes. In addition, the interaction of the cationic bis-triarylboranes with different polynucleotides were investigated in buffered solutions as well as the ability of these selectively charged compounds to enter and localize within organelles of human lung carcinoma and normal lung cells. All these investigations demonstrate that the number of charges and their distribution influences the interactions and staining properties as well as most of the other properties investigated. In addition, preliminary investigations on H2O2-cleavable boronate esters in the presence of stochiometric amounts of H2O2 are described for three different aryl boronate esters. N2 - In dieser Doktorarbeit wird die Synthese eines unsymmetrisch subsitutierten Triarylborans beschrieben. Dieser Ausdruck beschreibt ein dreifach koordiniertes Boratom, das an drei unterschiedliche Aromaten, hier 2,6-Dimethylphenyl, Mesityl, and 4-(N,N-Dimethylamino)-2,6-dimethylphenyl, gebunden ist. Es wird gezeigt, dass die Aminofunktionalität durch Methyltriflat in eine Amminoeinheit überführt werden kann. Die Untersuchung der photophysikalischen und elektrochemischen Eigenschaften dieser Verbindung im Vergleich zu den nicht-aminierten und di-aminierten Analoga des Triarylborans ist beschrieben ebenso wie beispielsweise die Untersuchungen der Bildung von Singulet Sauerstoff, der Rotationsbarrieren und fundamentale DFT Berechnungen. Basierend auf diesen Untersuchungen wurden genau einfach, zweifach und dreifach Dimethylamino- und Trimethylammonium-substituierte Chromophore hergestellt und deren photophysikalische und elektrochemische Eigenschaften untersucht, zusammen mit der Wasserlöslichkeit und der Bildung von Singulet Sauerstoff der kationischen Verbindungen Cat1+, Cat2+, Cat(i)2+ und Cat3+. Der Vergleich dieser Eigenschaften mit den Ergebnissen der mono-Triarylborane zeigt den großen Einfluss der Brücke auf die untersuchten Eigenschaften der bis-Triarylborane. Zusätzlich wurden die Wechselwirkungen der kationischen bis-Triarlyborane mit unterschiedlichen Polynukeotiden in Pufferlösungen zusammen mit deren Fähigkeit in Lungenkrebs- und Lungenzellen zu gelangen und sich in bestimmten Organellen darin anzulagern. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Anzahl und Verteilung der Ladungen nicht nur die Wechselwirkungen und intrazelluläre Lokalisation beeinflussen, sondern auch fast alle übrigen untersuchten Eigenschaften. Zusätzlich sind erste Untersuchungen von drei H2O2-spaltbaren Borsäureestern in der Gegenwart von stöchiometrischen Mengen Wasserstoffperoxid gezeigt. KW - Triarylborane KW - Polynucleotide KW - Borsäureester KW - Wasserstoffperoxid KW - Singlet Oxygen KW - Luminescence Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-243147 ER - TY - THES A1 - Fijalkowski, Kajetan Maciej T1 - Electronic Transport in a Magnetic Topological Insulator (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) T1 - Elektronischer Transport in einem magnetischen topologischen Isolator (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) N2 - This thesis focuses on investigating magneto-transport properties of a ferromagnetic topological insulator (V,Bi,Sb)2Te3. This material is most famously known for exhibiting the quantum anomalous Hall effect, a novel quantum state of matter that has opened up possibilities for potential applications in quantum metrology as a quantum standard of resistance, as well as for academic investigations into unusual magnetic properties and axion electrodynamics. All of those aspects are investigated in the thesis. N2 - Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung der Magneto-Transporteigenschaften des ferromagnetischen topologischen Isolators (V,Bi,Sb)2Te3. Dieses Material ist vor allem dafür bekannt, dass es den quantenanormalen Hall-Effekt aufweist, einen neuartigen Quantenzustand der Materie, der Möglichkeiten für potenzielle Anwendungen in der Quantenmetrologie als Quantenstandard des Widerstands sowie für wissenschaftliche Untersuchungen zu ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften und der Axion-Elektrodynamik eröffnet hat. All diese Aspekte werden in dieser Arbeit untersucht. KW - Topologischer Isolator KW - Axion KW - Bismutselenide KW - Transportprozess KW - Surface states KW - Magnetic Topological Insulator KW - Quantum anomalous Hall effect Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282303 ER - TY - THES A1 - Hofmann, Adrian T1 - Challenges and Solution Approaches for Blockchain Technology T1 - Herausforderungen und Lösungsansätze der Blockchain Technologie N2 - The digital transformation facilitates new forms of collaboration between companies along the supply chain and between companies and consumers. Besides sharing information on centralized platforms, blockchain technology is often regarded as a potential basis for this kind of collaboration. However, there is much hype surrounding the technology due to the rising popularity of cryptocurrencies, decentralized finance (DeFi), and non-fungible tokens (NFTs). This leads to potential issues being overlooked. Therefore, this thesis aims to investigate, highlight, and address the current weaknesses of blockchain technology: Inefficient consensus, privacy, smart contract security, and scalability. First, to provide a foundation, the four key challenges are introduced, and the research objectives are defined, followed by a brief presentation of the preliminary work for this thesis. The following four parts highlight the four main problem areas of blockchain. Using big data analytics, we extracted and analyzed the blockchain data of six major blockchains to identify potential weaknesses in their consensus algorithm. To improve smart contract security, we classified smart contract functionalities to identify similarities in structure and design. The resulting taxonomy serves as a basis for future standardization efforts for security-relevant features, such as safe math functions and oracle services. To challenge privacy assumptions, we researched consortium blockchains from an adversary role. We chose four blockchains with misconfigured nodes and extracted as much information from those nodes as possible. Finally, we compared scalability solutions for blockchain applications and developed a decision process that serves as a guideline to improve the scalability of their applications. Building on the scalability framework, we showcase three potential applications for blockchain technology. First, we develop a token-based approach for inter-company value stream mapping. By only relying on simple tokens instead of complex smart-contracts, the computational load on the network is expected to be much lower compared to other solutions. The following two solutions use offloading transactions and computations from the main blockchain. The first approach uses secure multiparty computation to offload the matching of supply and demand for manufacturing capacities to a trustless network. The transaction is written to the main blockchain only after the match is made. The second approach uses the concept of payment channel networks to enable high-frequency bidirectional micropayments for WiFi sharing. The host gets paid for every second of data usage through an off-chain channel. The full payment is only written to the blockchain after the connection to the client gets terminated. Finally, the thesis concludes by briefly summarizing and discussing the results and providing avenues for further research. N2 - Die digitale Transformation ermöglicht neue Formen der Zusammenarbeit zwischen Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette, sowie zwischen Unternehmen und Verbrauchern. Neben dem Austausch von Informationen auf zentralen Plattformen wird die Blockchain-Technologie häufig als mögliche Grundlage für diese Art der Zusammenarbeit angesehen. Allerdings gibt es auch durch die steigende Popluarität von Cryptowährungen, Decentralized Finance (DeFi) und non-fungible Tokens (NFTs) einen großen Hype um die Technologie. Dieser führt dazu, dass mögliche Probleme übersehen werden. Daher sollen in dieser Thesis die derzeitigen Schwachstellen der Blockchain-Technologie aufgezeigt und ausgewählte Maßnahmen zur Verbesserung aufgezeigt werden. Es werden dabei vier Schwachstellen betrachtet: Ineffizienter Konsens, Datenschutz, Sicherheit von Smart Contracts und Skalierbarkeit. Als Grundlage werden zunächst die vier zentralen Herausforderungen vorgestellt und die Forschungsziele definiert. Es folgt eine kurze Darstellung der Vorarbeiten für diese Arbeit. In den folgenden vier Teilen wird für jedes der vier Hauptproblembereiche von Blockchain ein spezifisches Problem beleuchtet: Ineffizienter Konsens, Datenschutz, Smart-Contract-Sicherheit und Skalierbarkeit. Mit Hilfe von Big-Data-Analytics wurden die Blockchain-Daten von sechs großen Blockchains extrahiert und analysiert, um potenzielle Schwachstellen in deren Konsens-Algorithmus zu identifizieren. Um die Sicherheit von Smart Contracts zu verbessern, wurden die Funktionalitäten von Smart Contracts klassifiziert, um Ähnlichkeiten in Struktur und Design zu identifizieren. Die sich daraus ergebende Taxonomie dient als Grundlage für künftige Standardisierungsbemühungen für sicherheitsrelevante Funktionen, wie z. B. sichere mathematische Funktionen und Orakeldienste. Um die Annahmen von Datenschutz in Frage zu stellen, wurden Konsortialblockchains aus der Angreiferperspektive untersucht. Es wurden vier Blockchains mit falsch konfigurierten Knoten betrachtet mit dem Ziel so viele Informationen wie möglich aus diesen Knoten zu extrahieren. Schließlich wurden Lösungen für die Skalierbarkeit von Blockchain-Anwendungen verglichen und einen Entscheidungsprozess entwickelt, der als Leitfaden für die Verbesserung der Skalierbarkeit ihrer Anwendungen dient. Aufbauend auf dem Skalierbarkeitsframework werden potenzielle Anwendungen für die Blockchain-Technologie vorgestellt. Zunächst wurde einen Token-basierter Ansatz für die Abbildung eines unternehmensübergreifenden Wertstroms entwickelt. Da sich hier nur auf einfache Token anstelle von komplexen Smart-Contracts gestützt wurde, sollte die Rechenlast im Netzwerk im Vergleich zu anderen Lösungen deutlich geringer sein. Die beiden anderen Lösungen nutzen die Auslagerung von Transaktionen und Berechnungen aus der Hauptblockchain heraus. Der erste Ansatz nutzt Secure Multiparty Computation, um das Matching von Angebot und Nachfrage für Produktionskapazitäten in ein vertrauensfreies Netzwerk auszulagern. Erst wenn das Matching erfolgt ist, wird die Transaktion in die Haupt-Blockchain geschrieben. Der zweite Ansatz nutzt das Konzept von Payment Channel Networks, um hochfrequente bidirektionale Micropayments für WiFi-Sharing zu ermöglichen. Der Host wird für jede Sekunde der Datennutzung über einen Off-Chain-Chanel bezahlt. Die vollständige Zahlung wird erst dann in die Blockchain geschrieben, wenn die Verbindung zum Client beendet wird. Zum Abschluss der Arbeit werden die Ergebnisse zusammengefasst, diskutiert und Mög-lichkeiten für weitere Forschungsarbeiten aufgezeigt. KW - Blockchain KW - Skalierbarkeit KW - Informationssicherheit KW - Datenschutz Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282618 ER - TY - THES A1 - Ünzelmann, Maximilian T1 - Interplay of Inversion Symmetry Breaking and Spin-Orbit Coupling – From the Rashba Effect to Weyl Semimetals T1 - Zusammenspiel aus Inversionssymmetriebruch und Spin-Bahn-Kopplung – Vom Rashba-Effekt zu Weyl-Halbmetallen N2 - Breaking inversion symmetry in crystalline solids enables the formation of spin-polarized electronic states by spin-orbit coupling without the need for magnetism. A variety of interesting physical phenomena related to this effect have been intensively investigated in recent years, including the Rashba effect, topological insulators and Weyl semimetals. In this work, the interplay of inversion symmetry breaking and spin-orbit coupling and, in particular their general influence on the character of electronic states, i.e., on the spin and orbital degrees of freedom, is investigated experimentally. Two different types of suitable model systems are studied: two-dimensional surface states for which the Rashba effect arises from the inherently broken inversion symmetry at the surface, and a Weyl semimetal, for which inversion symmetry is broken in the three-dimensional crystal structure. Angle-resolved photoelectron spectroscopy provides momentum-resolved access to the spin polarization and the orbital composition of electronic states by means of photoelectron spin detection and dichroism with polarized light. The experimental results shown in this work are also complemented and supported by ab-initio density functional theory calculations and simple model considerations. Altogether, it is shown that the breaking of inversion symmetry has a decisive influence on the Bloch wave function, namely, the formation of an orbital angular momentum. This mechanism is, in turn, of fundamental importance both for the physics of the surface Rashba effect and the topology of the Weyl semimetal TaAs. N2 - Wird die Inversionssymmetrie kristalliner Festkörper gebrochen, ermöglicht dies die Ausbildung von spinpolarisierten elektronischen Zuständen durch Spin-Bahn-Kopplung ohne die Notwendigkeit von Magnetismus. In den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl interessanter physikalischer Phänomene diskutiert, die mit diesem Effekt zusammenhängen, darunter der Rashba-Effekt, topologische Isolatoren sowie Weyl-Halbmetalle. In dieser Arbeit wird das Zusammenspiel von Inversionssymetriebruch und Spin-Bahn-Kopplung sowie insbesondere deren Einfluss auf die Eigenschaften der elektronischen Zustände, also auf die Spin- und Orbital-Freiheitsgrade, experimentell untersucht. Zwei verschiedene Arten geeigneter Modellsysteme werden dazu betrachtet: zweidimensionale Oberflächenzustände, in denen der Rashba-Effekt aufgrund der an der Oberfläche inhärent gebrochenen Inverisonssymetrie auftritt, und ein Weyl-Halbmetall, dessen dreidimensionale Kristallstruktur kein Inversionszentrum besitzt. Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie bietet einen impulsaufgelösten Zugang zur Spinpolarisation sowie zur orbitalen Zusammensetzung der elektronischen Zustände mittels Photoelektronenspindetektion und Dichroismus mit polarisiertem Licht. Die in dieser Arbeit gezeigten experimentellen Ergebnisse werden außerdem durch ab-initio Dichtefunktionaltheorierechnungen sowie einfachen Modellbetrachtungen ergänzt und untermauert. Insgesamt zeigt sich, dass das Brechen von Inversionssymmetrie einen entscheidenden Einfluss auf die Bloch-Wellenfunktion hat, nämlich die Ausbildung eines orbitalen Bahndrehimpulses. Dieser Mechanismus ist wiederum von grundlegender Bedeutung sowohl für die Physik des Oberflächen- Rashba-Effekts als auch für die Topologie desWeyl-Halbmetalls TaAs. KW - Rashba-Effekt KW - Inversion Symmetry Breaking KW - Topologie KW - ARPES KW - Spin-Orbit Coupling KW - Orbital Angular Momentum Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-283104 ER - TY - THES A1 - Dorin, Michael T1 - The Relationship Between Software Complicacy and Software Reliability T1 - Die Beziehung zwischen Softwarekompliziertheit und Softwarezuverlässigkeit N2 - An enduring engineering problem is the creation of unreliable software leading to unreliable systems. One reason for this is source code is written in a complicated manner making it too hard for humans to review and understand. Complicated code leads to other issues beyond dependability, such as expanded development efforts and ongoing difficulties with maintenance, ultimately costing developers and users more money. There are many ideas regarding where blame lies in the reation of buggy and unreliable systems. One prevalent idea is the selected life cycle model is to blame. The oft-maligned “waterfall” life cycle model is a particularly popular recipient of blame. In response, many organizations changed their life cycle model in hopes of addressing these issues. Agile life cycle models have become very popular, and they promote communication between team members and end users. In theory, this communication leads to fewer misunderstandings and should lead to less complicated and more reliable code. Changing the life cycle model can indeed address communications ssues, which can resolve many problems with understanding requirements. However, most life cycle models do not specifically address coding practices or software architecture. Since lifecycle models do not address the structure of the code, they are often ineffective at addressing problems related to code complicacy. This dissertation answers several research questions concerning software complicacy, beginning with an investigation of traditional metrics and static analysis to evaluate their usefulness as measurement tools. This dissertation also establishes a new concept in applied linguistics by creating a measurement of software complicacy based on linguistic economy. Linguistic economy describes the efficiencies of speech, and this thesis shows the applicability of linguistic economy to software. Embedded in each topic is a discussion of the ramifications of overly complicated software, including the relationship of complicacy to software faults. Image recognition using machine learning is also investigated as a potential method of identifying problematic source code. The central part of the work focuses on analyzing the source code of hundreds of different projects from different areas. A static analysis was performed on the source code of each project, and traditional software metrics were calculated. Programs were also analyzed using techniques developed by linguists to measure expression and statement complicacy and identifier complicacy. Professional software engineers were also directly surveyed to understand mainstream perspectives. This work shows it is possible to use traditional metrics as indicators of potential project bugginess. This work also discovered it is possible to use image recognition to identify problematic pieces of source code. Finally, this work discovered it is possible to use linguistic methods to determine which statements and expressions are least desirable and more complicated for programmers. This work’s principle conclusion is that there are multiple ways to discover traits indicating a project or a piece of source code has characteristics of being buggy. Traditional metrics and static analysis can be used to gain some understanding of software complicacy and bugginess potential. Linguistic economy demonstrates a new tool for measuring software complicacy, and machine learning can predict where bugs may lie in source code. The significant implication of this work is developers can recognize when a project is becoming buggy and take practical steps to avoid creating buggy projects. N2 - Ein nach wie vor ungelöstes technisches Problem ist das Erstellen unzuverlässiger Software, was zu unzuverlässigen Systemen führt. Eine der Ursachen ist, dass Quellcode auf zu komplizierte Weise geschrieben wird, so dass es für Menschen zu schwierig wird, ihn zu überprüfen und zu verstehen. Komplizierter Code führt über die Zuverlässigkeit hinaus zu weiteren Problemen, wie z. B. erweiterte Entwicklungsanstrengungen und anhaltenden Schwierigkeiten bei der Wartung, was Entwickler und Benutzer letztendlich mehr Geld kostet. Vielfach schiebt man die Schuld an der Entwicklung von BuggySystemen auf das gewählte Lebenszyklusmodell. Das oft geschmähte "Wasserfall"-Modell wird besonders häufig beschuldigt. Als Reaktion darauf änderten viele Organisationen ihr Lebenszyklusmodell in der Hoffnung, diese Probleme zu beheben. Agile Lebenszyklusmodelle sind sehr beliebt und fördern die Kommunikation zwischen Entwicklungsteam und Endnutzern. Theoretisch führt diese Kommunikation zu weniger Missverständnissen, und ein besseres Verständnis sollte zu weniger kompliziertem und zuverlässigerem Code führen. Eine Änderung des Lebenszyklusmodells kann tatsächlich Kommunikationsprobleme lösen, insbesondere beim Verständnis der Anforderungen. Die meisten Lebenszyklusmodelle selbst befassen sich jedoch nicht speziell mit Codierungspraktiken oder Softwarearchitekturen. Da Lebenszyklusmodelle aber nicht auf die Struktur des eigentlichen Codes eingehen, sind sie bei der Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Codekompliziertheit wenig hilfreich. Diese Dissertation behandelt mehrere Forschungsfragen zur Softwarekompliziertheit, beginnend mit einer Untersuchung traditioneller Metriken und statischer Analyse, um ihre Nützlichkeit als Messwerkzeug zu bewerten. Diese Dissertation etabliert auch ein wesentliches neues Konzept der angewandten Linguistik, indem sie auf der Basis der linguistischen Ökonomie ein Maß für Softwarekompliziertheit erstellt. Die linguistische Ökonomie beschreibt die Effizienz von Sprache, und diese Arbeit zeigt ihre Anwendbarkeit auf Software. Darin eingeschlossen ist eine Diskussion der Auswirkungen übermäßig komplizierter Software sowie des Zusammenhangs zwischen Kompliziertheit und Softwarefehlern. Als potenzielle Methode zur Identifizierung von problematischem Quellcode wird auch Bilderkennung mittels maschinellen Lernens untersucht. Der zentrale Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Analyse des Quellcodes hunderter verschiedener Projekte aus unterschiedlichen Bereichen. Zuerst wird eine statische Analyse des Quellcodes jedes Projekts durchgeführt und traditionelle Softwaremetriken berechnet. Programme werden auch unter Verwendung linguistischenr Techniken analysiert, um die Kompliziertheit von Ausdrücken und Aussagen sowie die Kompliziertheit von Identifikatoren zu messen. Professionelle Software-Ingenieure wurden auch direkt befragt, um Mainstream-Perspektiven zu verstehen. Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, traditionelle Metriken als Indikatoren für potenzielle Projektfehler zu verwenden. Sie belegt auch die Möglichkeit, vermittels Bilderkennung problematische Teile im Quellcode zu identifizieren. Schließlich beschreibt diese Arbeit die Entdeckung linguistischer Verfahren als neue Methode, Anweisungen und Ausdrücke zu identifizieren, die für Programmierer am wenigsten wünschenswert, da zu kompliziert sind. Die Hauptschlussfolgerung dieser Arbeit ist: Es gibt mehrere Möglichkeiten, Merkmale zu finden, die darauf hindeuten, dass ein Projekt oder ein StückQuellcode fehlerbehaftet ist. Herkömmliche Metriken und statische Analysen können verwendet werden, um ein Verständnis für Kompliziertheit und Fehlerpotenziale von Software zu erlangen. Die linguistische Ökonomie demonstriert ein neues Werkzeug zur Messung von Softwarekompliziertheit, und maschinelles Lernen kann vorhersagen, wo potenzielle Fehler im Quellcode liegen könnten. Das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit ist, Entwicklern Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, mit denen sie erkennen können, dass ein Projekt fehlerhaft wird. So können sie praktische Schritte unternehmen, um fehlerhafte Projekte zu vermeiden. KW - Softwareentwicklung KW - Complicacy KW - Zuverlässigkeit KW - Softwaremetrie KW - Softwaretest KW - Softwarewartung KW - Debugging Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-283085 ER - TY - THES A1 - Verma-Führing, Raoul T1 - Die Trabekulopunktion als Prädiktiver Test für den Erfolg der Ab Interno Trabekulektomie im Schweineaugenmodell T1 - Trabeculopuncture as Predictive Test for the Outcome of Ab Interno Trabeculectomy in Porcine Anterior Segments N2 - To investigate trabeculopuncture (TP) for predicting the outcome of ab interno trabeculectomy (AIT). Ex vivo porcine anterior segments were perfused and sequentially underwent two procedures, TP and AIT. We concluded that a 10% reduction in IOP after TP can be used to predict the success (>20% IOP decrease) of AIT in porcine eyes. As porcine eyes share many similarities with human eyes, our findings may have implications on the validity of this test as a predictor for surgical outcomes of AITs in humans. N2 - Wir untersuchten die Trabekulopunktion (TP) zur Vorhersage des Erfolgs einer Ab Interno Trabekulektomie (AIT) an einem ex vivo Schweineaugen-Perfusionsmodell. Die Schweineaugen wurden nacheinander zwei Verfahren (TP und AIT) unterzogen. Wir kamen zu dem Schluss, dass eine 10-prozentige Senkung des Augeninnendrucks nach der TP zur Vorhersage des Erfolgs (>20-prozentige Senkung des Augeninnendrucks) einer AIT in Schweineaugen verwendet werden kann. Schweineaugen weisen viele Ähnlichkeiten mit menschlichen Augen auf. Die Implementation eines solchen Tests zur Vorhersage des chirurgischen Erfolgs einer AIT beim Menschen wäre von hoher klinischer Relevanz. KW - Glaukom KW - Goniotomie KW - Ab Interno Trabekulektomie KW - Trabekulopunktion KW - Glaucoma KW - trabecular meshwork KW - trabeculopuncture KW - ab interno trabeculectomy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282633 ER - TY - THES A1 - Schorscher, Nora T1 - Systematic literature review on lessons learnt from terrorist attacks with a focus on pre-hospital and in-hospital management T1 - Systematische Literatur Recherche über Terrorangriffe mit dem Fokus auf präklinischer und klinischer Versorgung von Verletzten N2 - Purpose: The threat of national and international terrorism remains high. Preparation is the key requirement for the resilience of hospitals and out-of-hospital rescue forces. The scientific evidence for defining medical and tactical strategies often feeds on the analysis of real incidents and the lessons learned derived from them. This systematic review of the literature aims to identify and systematically report lessons learned from terrorist attacks since 2001. Methods: PubMed was used as a database using predefined search strategies and eligibility criteria. All countries that are part of the Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) were included. The time frame was set between 2001 and 2018. Results: 68 articles were included in the review. From these, 616 lessons learned were extracted and summarized into 15 categories. The data shows that despite the difference in attacks, countries, and casualties involved, many of the lessons learned are similar. We also found that the pattern of lessons learned is repeated continuously over the time period studied. Conclusions: The lessons from terrorist attacks since 2001 follow a certain pattern and remained constant over time. Therefore, it seems to be more accurate to talk about lessons identified rather than lessons learned. To save as many victims as possible, protect rescue forces from harm, and to prepare hospitals at the best possible level it is important to implement the lessons identified in training and preparation. N2 - Zweck: Die Bedrohung durch den nationalen und internationalen Terrorismus ist nach wie vor hoch. Vorbereitung ist die zentrale Voraussetzung für die Resilienz von Krankenhäusern und außerklinischen Rettungskräften. Die wissenschaftliche Evidenz für die Definition medizinischer und taktischer Strategien speist sich oft aus der Analyse realer Vorfälle und der daraus gezogenen Lehren. Diese systematische Literaturübersicht zielt darauf ab, Lehren aus Terroranschlägen seit 2001 zu ziehen und systematisch aufzuarbeiten. Methodik: Als Datenbank wurde PubMed verwendet. Dabei wurden bestimmte Suchstrategien und Auswahlkriterien genutzt. Alle Länder, die Teil der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) sind, wurden aufgenommen. Der Zeitrahmen wurde zwischen 2001 und 2018 festgelegt. Ergebnisse: 68 Artikel wurden in die Literaturrecherche inkludiert. Daraus wurden 616 gewonnene Erkenntnisse extrahiert und in 15 Kategorien zusammengefasst. Die Daten zeigen, dass trotz des Unterschieds bei den Angriffen, Ländern und Opfern, viele der gewonnenen Erkenntnisse ähnlich sind. Wir fanden auch heraus, dass sich das Muster der gelernten Lektionen während des untersuchten Zeitraums immer wieder wiederholte. Schlussfolgerungen: Die Lehren aus Terroranschlägen seit 2001 folgen einem gewissen Muster und blieben im Laufe der Zeit konstant. Um so viele Opfer wie möglich zu retten, die Rettungskräfte vor Schaden zu bewahren und Krankenhäuser auf dem bestmöglichen Niveau vorzubereiten, ist es wichtig, die identifizierten Lektionen in der Ausbildung und auch in der Einsatzvorbereitung umzusetzen. KW - Terror KW - Medical Managment KW - Lessons Learnt Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282133 ER - TY - THES A1 - Sahiti, Floran T1 - Myocardial Work – Application and Clinical Characterization of a New Echocardiographic Tool T1 - Myocardial Work – Anwendung und klinische Charakterisierung einer neuen Echokardiographie-basierten Methode N2 - 1 Summary Left ventricular (LV) ejection fraction (EF) and global longitudinal strain (GLS) are the most commonly used measures of LV function. Yet, they are highly dependent on loading conditions since higher afterload yields lower systolic deformation and thereby a lower LVEF and GLS – despite presumably unchanged LV myocardial contractile strength. Invasive pressure-volume loop measurements represent the reference standard to assess LV function, also considering loading conditions. However, this procedure cannot be used in serial investigations or large sample populations due to its invasive nature. The novel concept of echocardiography-derived assessment of myocardial work (MyW) is based on LV pressure-strain loops, may be a valuable alternative to overcome these challenges, and may also be used with relative ease in large populations. As MyW also accounts for afterload, it is considered less load-dependent than LVEF and GLS. The current PhD work addresses the application and clinical characterization of MyW, an innovative echocardiographic tool. As the method is new, we focused on four main topics: (a) To establish reference values for MyW indices, i.e., Global Work Index (GWI), Global Constructive Work (GCW), Global Wasted Work (GWW), and Global Work Efficiency (GWE); we addressed a wide age range and evaluated the association of MyW indices with age, sex and other clinical and echocardiography parameters in apparently cardiovascular healthy individuals. (b) To investigate the impact of cardiovascular (CV) risk factors on MyW indices and characterize the severity of subclinical LV deterioration in the general population. (c) To assess the association of the LV geometry, i.e., LV mass and dimensions, with MyW indices. (d) To evaluate in-hospital dynamics of MyW indices in patients hospitalized for acute heart failure (AHF). For the PhD thesis, we could make use of two larger cohorts: The STAAB population-based cohort study prospectively recruited and phenotyped a representative sample (5,000 individuals) of the general population of the City of Würzburg, aged 30-79 years and free from symptomatic heart failure at the time of inclusion. We focused on the first half of the study sample (n=2473 individuals), which fulfilled the anticipated strata regarding age and sex. The Acute Heart Failure (AHF) Registry is a prospective clinical registry recruiting and phenotyping consecutive patients admitted for decompensated AHF to the Department of Medicine I, University Hospital Würzburg, and observing the natural course of the disease. The AHF Registry focuses on the pathophysiological understanding, particularly in relation to the early phase after cardiac decompensation, with the aim to improve diagnosis and better-tailored treatment of patients with AHF. For the current study, we concentrated on patients who provided pairs of echocardiograms acquired early after index hospital admission and prior to discharge. The main findings of the PhD thesis were: From the STAAB cohort study, we determined the feasibility of large-scale MyW derivation and the accuracy of the method. We established reference values for MyW indices based on 779 analyzable, apparently healthy participants (mean age 49 ± 10 years, 59% women), who were in sinus rhythm, free from CV risk factors or CV disease, and had no significant LV valve disease. Apart from GWI, there were no associations of other MyW indices with sex. Further, we found a disparate association with age, where MyW showed stable values until the age of 45 years, with an upward shift occurring beyond the age of 45. A higher age decade was associated with higher GWW and lower GWE, respectively. MyW indices only correlated weakly with common echocardiographic parameters, suggesting that MyW may add incremental information to clinically established parameters. Further analyses from the STAAB cohort study contributed to a better understanding of the impact of CV risk factors on MyW indices and the association of LV geometry with LV performance. We demonstrated that CV risk factors impacted selectively on GCW and GWW. Hypertension appears to profoundly compromise the work of the myocardium, in particular, by increasing both GCW and GWW. The LV in hypertension seems to operate at a higher energy level yet lower efficiency. Other classical CV risk factors (Diabetes mellitus, Obesity, Dyslipidemia, Smoking) – independent of blood pressure – impacted consistently and adversely on GCW but did not affect GWW. Further, all CV risk factors affected GWE adversely. We observed that any deviation from a normal LV geometric profile was associated with alterations on MyW. Of note, MyW was sensitive to early changes in LV mass and dimensions. Individuals with normal LV geometry yet established arterial hypertension exhibited a MyW pattern that is typically found in LV hypertrophy. Therefore, such a pattern might serve as an early sign of myocardial damage in hypertensive heart disease and might aid in risk stratification and primary prevention. From the AHF Registry, we selected individuals with serial in-hospital echocardiograms and described in-hospital changes in myocardial performance during recompensation. In patients presenting with a reduced ejection fraction (HFrEF), decreasing N-terminal pro-natriuretic peptide (NT-proBNP) levels as a surrogate of successful recompensation were associated with an improvement in GCW and GWI and consecutively in GWE. In contrast, in patients presenting with a preserved ejection fraction (HFpEF), there was no significant change in GCW and GWI. However, unsuccessful recompensation, i.e., no change or an increase in NT-proBNP levels, was associated with an increase in GWW. This suggests a differential myocardial response to de- and recompensation depending on the HF phenotype. Further, GWW as a surrogate of inappropriate LV energy consumption was elevated in all patients with AHF (compared to reference values) and was not associated with conventional markers as LVEF or NT-proBNP. In an exploratory analysis, GWW predicted the risk of death or rehospitalization within six months after discharge. Hence, GWW might carry incremental information beyond conventional markers of HF severity. N2 - 2 Zusammenfassung Die linksventrikuläre (LV) Ejektionsfraktion (EF) und der Global Longitudinal Strain (GLS) sind die am häufigsten verwendeten Maße der LV-Funktion. Sie sind jedoch stark von den jeweiligen Belastungsbedingungen abhängig, da eine höhere Nachlast zu einer geringeren systolischen Deformation und somit zu einer niedrigeren LVEF und GLS führt, trotz einer vermutlich unveränderten myokardialen Kontraktionsstärke. Intrakardiale Druck-Volumen-Schleifenmessungen stellen den Referenzstandard zur Beurteilung der LV-Funktion dar, da hiermit auch die umfassende Berücksichtigung der Lastbedingungen (Vorlast, Nachlast) möglich ist. Dieses Verfahren lässt sich jedoch aufgrund des invasiven Charakters nur schwer in Follow-up Untersuchungen oder großen Studienpopulationen einsetzen. Angelehnt an die Prinzipien dieser invasiven Technik, wurde vor kurzem das neuartige Konzept der Echokardiographie-abgeleiteten Beurteilung der Myokardarbeit (MyW) entwickelt. Dieser Ansatz wertet Druck-Strain-Schleifen aus und berücksichtigt den Einfluss der Nachlast, so dass MyW als weniger lastabhängig gilt verglichen mit LVEF und GLS. Die Analyse von MyW könnte deshalb eine wertvolle Alternative sein, um den o.g. Herausforderungen zu begegnen. Die Methode lässt sich in großen Stichproben, ggf. auch wiederholt, einsetzen. Die hier vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Anwendung und klinischen Charakterisierung von MyW, einer innovativen echokardiographischen Methode. Der Fokus lag auf vier Themenbereichen: (a) Festlegung von Referenzwerten für MyW-Indizes, d. h. Global Work Index (GWI), Global Constructive Work (GCW), Global Wasted Work (GWW) und Global Work Efficiency (GWE); wir adressierten einen breiten Altersbereich und quantifizierten die Assoziation der MyW-Indizes mit Alter, Geschlecht und weiteren klinischen und echokardiographischen Parametern bei kardiovaskulär gesunden Normalpersonen. (b) Untersuchung des Einflusses kardiovaskulärer Risikofaktoren auf die MyW-Indizes und die Charakterisierung einer subklinischen LV-Verschlechterung in der Allgemeinbevölkerung. (c) Bewertung der Assoziation der MyW-Indizes mit der LV-Geometrie, insbesondere der LV-Masse und der LV-Dimensionen. (d) Bewertung der Dynamik der MyW-Indizes im Krankenhaus bei Patienten, die wegen akuter Herzinsuffizienz (AHF) ins Krankenhaus aufgenommen wurden. Im Rahmen der hier vorgelegten Dissertation wurden die Daten zweier größerer Kohorten herangezogen: Die bevölkerungsbasierte STAAB-Kohortenstudie rekrutierte und phänotypisierte prospektiv eine repräsentative Stichprobe (5.000 Personen) der Allgemeinbevölkerung der Stadt Würzburg im Alter von 30-79 Jahren, die zum Zeitpunkt des Einschlusses keine vorbeschriebene Herzinsuffizienz hatten. Wir konzentrierten uns auf die erste Hälfte der Studienstichprobe (n=2473 Personen), welche die erwarteten Stratifizierung bezüglich Alter und Geschlecht erfüllten. Das Acute Heart Failure (AHF) Register ist ein klinisches Register zur Rekrutierung und Phänotypisierung von konsekutiven Patienten, die wegen akut dekompensierter Herzinsuffizienz in die Medizinische Klinik I des Universitätsklinikums Würzburg aufgenommen wurden. Ziel dieser Studie ist es, das pathophysiologische Verständnis insbesondere in Bezug auf die Frühphase nach einer kardialen Dekompensation zu verbessern und damit die gezielte Diagnostik und Therapie von Patienten mit AHF zu verbessern. Wir fokussierten hier auf Patienten, bei denen im Krankenhaus zwei Echokardiogramme durchgeführt wurden: früh nach Aufnahme ins Krankenhaus und kurz vor der Entlassung. Die wichtigsten Erkenntnisse der hier vorgelegten Dissertation sind: Aus den Daten der STAAB-Kohortenstudie wurden Referenzwerte für MyW-Indizes etabliert, die auf Auswertungen von insgesamt 779 gesunden Normalpersonen (mittleres Alter 49 ± 10 Jahre, 59% Frauen) mit Sinusrhythmus beruhen. Diese Probanden wiesen gemäß der Ergebnisse einer umfangreichen Eingangsuntersuchung keine kardiovaskulären Risikofaktoren oder Erkrankungen auf und zeigten echokardiographisch keinen Hinweis auf eine LV-Klappenerkrankung. Mit der Ausnahme von GWI fanden sich keine Assoziationen der MyW-Indizes mit dem Geschlecht. Darüber hinaus zeigte sich eine Altersabhängigkeit der MyW-Indizes. Bis zum Alter von 45 Jahren wies MyW stabile Werte auf, jenseits des 45. Lebensjahres jedoch eine Aufwärtsverschiebung: dabei war eine zunehmend höhere Altersdekade mit mehr GWW bzw. weniger GWE verbunden. Die MyW-Indizes korrelierten nur schwach mit üblichen echokardiographischen Parametern, was darauf hindeuten könnte, dass MyW zusätzliche Informationen jenseits klinisch etablierter Variablen beitragen kann. Weitere Analysen aus der STAAB-Kohortenstudie trugen zu einem besseren Verständnis des Einflusses kardiovaskulärer Risikofaktoren auf die MyW-Indizes und der Assoziation der LV-Geometrie mit der LV-Leistung bei. Wir zeigten, dass kardiovaskuläre Risikofaktoren sich selektiv auf GCW und GWW auswirken. Hypertonie beeinträchtigte die Arbeit des Myokards zutiefst, insbesondere durch die Erhöhung sowohl des GCW als auch des GWW. Der LV arbeitet demnach bei Hypertonie auf einem höheren Energieniveau – jedoch mit geringerer Effizienz. Andere klassische kardiovaskuläre Risikofaktoren (Diabetes mellitus, Adipositas, Dyslipidämie, Rauchen), wirkten sich unabhängig vom Blutdruck durchweg negativ auf GCW aus, zeigten jedoch keinen Einfluss auf GWW. Darüber hinaus wirkten sich alle kardiovaskulären Risikofaktoren nachteilig auf GWE aus. Jede Abweichung von einem normalen LV-Geometrie Profil war mit Änderungen der MyW verbunden. Bemerkenswert war, dass MyW empfindlich auf frühe Veränderungen der LV-Masse und -Dimensionen reagierte. Personen mit arterieller Hypertonie aber noch normaler LV-Geometrie zeigten ein myokardiales Arbeitsmuster, das ansonsten typischerweise bei LV-Hypertrophie zu finden ist. Somit könnte dieses Muster als frühes Zeichen einer Myokardschädigung bei hypertensiver Herzerkrankung dienen und bei der Risikostratifizierung und Primärprävention helfen. Aus dem AHF-Register wählten wir Personen mit seriellen Echokardiogrammen im Krankenhaus aus und beschrieben Veränderungen der myokardialen Leistung während der Rekompensationsphase beschrieben. Als Surrogat einer Rekompensation zogen wir während der Hospitalisierung sinkende Spiegel von N-terminalem pro-natriuretischem Peptid (NT-proBNP) heran. Bei Patienten mit reduzierter Ejektonfraktion (HFrEF) waren fallende NT-proBNP Werte (i. S. einer erfolgreichen Rekompensation) mit einer Verbesserung von GCW und GWI und konsekutiv auch von GWE verbunden. Im Gegensatz dazu gab es bei Patienten, die eine erhaltene Ejektonfraktionsfraktion aufwiesen (HFpEF), keine signifikante Veränderung von GCW und GWI. Eine erfolglose Rekompensation, d. h. keine Veränderung oder ein potenzieller Anstieg von NT-proBNP, war jedoch mit einem Anstieg von GWW verbunden. Wir interpretierten dies als unterschiedliche myokardiale Reaktion auf De- und Rekompensation in Abhängigkeit vom Herzinsuffizienz-Phänotyp. Darüber hinaus war GWW als Surrogat eines unangemessenen LV-Energieverbrauchs bei allen Patienten mit AHF erhöht (im Vergleich zu Referenzwerten) und korrelierte mit keinem der konventionellen Marker. In einer explorativen Analyse war GWW ein starker Prädiktor für das Risiko, im Verlauf der nächsten sechs Monaten nach Krankenhausentlassung zu sterben oder erneut hospitalisiert zu werden. Damit könnte die GWW zusätzliche Informationen enthalten, die über die konventionellen Marker für den Schweregrad der Herzinsuffizienz hinausgehen. KW - Myocardial Work KW - Echocardiography KW - Heart Failure KW - Hypertension KW - STAAB Cohort Study KW - Wasted Work KW - Cardiac Efficiency KW - Herzinsuffizienz KW - Echokardiographie KW - myokardiale Arbeit KW - LV Function Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282261 ER - TY - RPRT A1 - Elsayed, Karim A1 - Rizk, Amr T1 - Response Times in Time-to-Live Caching Hierarchies under Random Network Delays T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - Time-to-Live (TTL) caches decouple the occupancy of objects in cache through object-specific validity timers. Stateof- the art techniques provide exact methods for the calculation of object-specific hit probabilities given entire cache hierarchies with random inter-cache network delays. The system hit probability is a provider-centric metric as it relates to the origin offload, i.e., the decrease in the number of requests that are served by the content origin server. In this paper we consider a user-centric metric, i.e., the response time, which is shown to be structurally different from the system hit probability. Equipped with the state-of-theart exact modeling technique using Markov-arrival processes we derive expressions for the expected object response time and pave a way for its optimization under network delays. KW - Datennetz KW - TTL Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280843 ER - TY - RPRT A1 - Gallenmüller, Sebastian A1 - Scholz, Dominik A1 - Stubbe, Henning A1 - Hauser, Eric A1 - Carle, Georg T1 - Reproducible by Design: Network Experiments with pos T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - In scientific research, the independent reproduction of experiments is the source of trust. Detailed documentation is required to enable experiment reproduction. Reproducibility awards were created to honor the increased documentation effort. In this work, we propose a novel approach toward reproducible research—a structured experimental workflow that allows the creation of reproducible experiments without requiring additional efforts of the researcher. Moreover, we present our own testbed and toolchain, namely, plain orchestrating service (pos), which enables the creation of such experimental workflows. The experiment is documented by our proposed, fully scripted experiment structure. In addition, pos provides scripts enabling the automation of the bundling and release of all experimental artifacts. We provide an interactive environment where pos experiments can be executed and reproduced, available at https://gallenmu.github.io/single-server-experiment. KW - Datennetz KW - Reproducibility KW - Testbed KW - Network Experiments KW - plain orchestrating service KW - pos Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280834 ER - TY - RPRT A1 - Loh, Frank A1 - Geißler, Stefan A1 - Hoßfeld, Tobias T1 - LoRaWAN Network Planning in Smart Environments: Towards Reliability, Scalability, and Cost Reduction T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - The goal in this work is to present a guidance for LoRaWAN planning to improve overall reliability for message transmissions and scalability. At the end, the cost component is discussed. Therefore, a five step approach is presented that helps to plan a LoRaWAN deployment step by step: Based on the device locations, an initial gateway placement is suggested followed by in-depth frequency and channel access planning. After an initial planning phase, updates for channel access and the initial gateway planning is suggested that should also be done periodically during network operation. Since current gateway placement approaches are only studied with random channel access, there is a lot of potential in the cell planning phase. Furthermore, the performance of different channel access approaches is highly related on network load, and thus cell size and sensor density. Last, the influence of different cell planning ideas on expected costs are discussed. KW - Datennetz KW - LoRaWan Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280829 ER - TY - RPRT A1 - Schmidt, João Pedro T1 - Local Self-Organization and the Third Sector: Between the Philanthropic and the Associative Approaches T1 - Lokale Selbstorganisation und der Dritte Sektor: Zwischen philanthropischen und assoziativen Ansätzen N2 - Civil society organizations only started to be considered a sector in the 1970s in the United States. Amitai Etzioni pioneered the use of the expression third sector, which became common in academic and political literature. However, in the United States, the non-profit sector concept gradually became more robust and was spread internationally based on the studies conducted by Lester Salomon and associated researchers. The theory built on the concept of the non-profit sector is strongly related to the North American cultural context, marked by the tradition of philanthropy and volunteerism, but with little importance given to associative and cooperative organizations. The non-profit sector is implicitly or explicitly conceived as part of the private sphere. In contrast, theoretical currents such as liberal communitarianism, the theories of cooperation, common goods, social capital, European social economy, and the Latin American solidarity economy highlight the primacy of cooperation in solving collective problems. These theories underpin the associative approach of the third sector and link it to the community, not to the market. This paper argues that the associative approach is more appropriate for international studies on the third sector and the relevance of self-organization. The third sector, i.e., the set of organizations created and maintained by civil society, is the inheritor of the millennial associative tradition, including both entities whose values are compatible with the common good and those with particularistic values, authoritarian and contrary to human rights. The third sector is not entirely virtuous, but it is a vital sector for solving great human problems. N2 - Zivilgesellschaftliche Organisationen wurden in den USA erst in den 1970er Jahren als ein eigenständiger Sektor betrachtet. Amitai Etzioni prägte hierbei den Begriff „dritter Sektor“, der in der akademischen und politischen Literatur üblich wurde. In den Ver-einigten Staaten wurde das Konzept des gemeinnützigen Sektors jedoch allmählich gefestigt und auf der Grundlage der von Lester Salomon und anderen Forschern durchgeführten Studien auch international verbreitet. Die Theorie, die auf dem Konzept des Non-Profit-Sektors aufbaut, ist stark mit dem nordamerikanischen kulturellen Kontext verbunden, der durch die Tradition der Philanthropie und des ehrenamtlichen Engagements geprägt ist, während assoziativen und genossenschaftlichen Organisationen wenig Bedeutung beigemessen wird. Der Non-Profit-Sektor wird implizit oder explizit als Teil der privaten Sphäre verstanden. Im Gegensatz dazu betonen theoretische Strömungen wie der liberale Kommunitaris-mus, die Theorien der Kooperation, der Gemeingüter, des Sozialkapitals, der europäischen Sozialwirtschaft und der lateinamerikanischen Solidarökonomie den Vorrang der Kooperation bei der Lösung kollektiver Probleme. Diese Theorien untermauern den assoziativen Ansatz des dritten Sektors und verbinden ihn mit der Gemeinschaft und nicht mit dem Markt. In diesem Papier wird argumentiert, dass der assoziative Ansatz für internationale Studien über den dritten Sektor und die Bedeutung der Selbstorganisation besser geeignet ist. Der dritte Sektor, d. h. die Gesamtheit der von der Zivilgesellschaft geschaffenen und unterhaltenen Organisationen, steht für das Erbe der tausendjährigen assoziativen Tradition, die sowohl Einrichtungen umfasst, deren Werte mit dem Gemeinwohl vereinbar sind, als auch solche mit partikularistischen, autoritären und menschenrechtswidrigen Werten. Der dritte Sektor ist nicht völlig tugendhaft, aber er ist ein wichtiger Bereich für die Lösung großer menschlicher Probleme. T3 - LoSAM Working Papers - 7 KW - Kommunitarismus KW - Nonprofit-Bereich KW - Selbstorganisation KW - Staat KW - Kooperation KW - communitarianism KW - common good KW - associativism KW - third sector Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282803 ER - TY - RPRT A1 - Riegler, Clemens A1 - Kayal, Hakan T1 - VELEX: Venus Lightning Experiment N2 - Lightning has fascinated humanity since the beginning of our existence. Different types of lightning like sprites and blue jets were discovered, and many more are theorized. However, it is very likely that these phenomena are not exclusive to our home planet. Venus’s dense and active atmosphere is a place where lightning is to be expected. Missions like Venera, Pioneer, and Galileo have carried instruments to measure electromagnetic activity. These measurements have indeed delivered results. However, these results are not clear. They could be explained by other effects like cosmic rays, plasma noise, or spacecraft noise. Furthermore, these lightning seem different from those we know from our home planet. In order to tackle these issues, a different approach to measurement is proposed. When multiple devices in different spacecraft or locations can measure the same atmospheric discharge, most other explanations become increasingly less likely. Thus, the suggested instrument and method of VELEX incorporates multiple spacecraft. With this approach, the question about the existence of lightning on Venus could be settled. T3 - Raumfahrttechnik und Extraterrestrik - 3 KW - Venus KW - Lightning KW - CubeSat KW - Balloon KW - Autorotation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282481 ER - TY - RPRT A1 - Riegler, Clemens A1 - Werner, Lennart A1 - Kayal, Hakan T1 - MAPLE: Marsian Autorotation Probe Lander Experiment N2 - The first step towards aerial planetary exploration has been made. Ingenuity shows extremely promising results, and new missions are already underway. Rotorcraft are capable of flight. This capability could be utilized to support the last stages of Entry, Descent, and Landing. Thus, mass and complexity could be scaled down. Autorotation is one method of descent. It describes unpowered descent and landing, typically performed by helicopters in case of an engine failure. MAPLE is suggested to test these procedures and understand autorotation on other planets. In this series of experiments, the Ingenuity helicopter is utilized. Ingenuity would autorotate a ”mid-air-landing” before continuing with normal flight. Ultimately, the collected data shall help to understand autorotation on Mars and its utilization for interplanetary exploration. T3 - Raumfahrttechnik und Extraterrestrik - 2 KW - autorotation KW - descent KW - Mars KW - rotorcraft KW - landing KW - aerospace Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282390 ER - TY - RPRT A1 - Odhah, Najib A1 - Grass, Eckhard A1 - Kraemer, Rolf T1 - Effective Rate of URLLC with Short Block-Length Information Theory T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - Shannon channel capacity estimation, based on large packet length is used in traditional Radio Resource Management (RRM) optimization. This is good for the normal transmission of data in a wired or wireless system. For industrial automation and control, rather short packages are used due to the short-latency requirements. Using Shannon’s formula leads in this case to inaccurate RRM solutions, thus another formula should be used to optimize radio resources in short block-length packet transmission, which is the basic of Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLCs). The stringent requirement of delay Quality of Service (QoS) for URLLCs requires a link-level channel model rather than a physical level channel model. After finding the basic and accurate formula of the achievable rate of short block-length packet transmission, the RRM optimization problem can be accurately formulated and solved under the new constraints of URLLCs. In this short paper, the current mathematical models, which are used in formulating the effective transmission rate of URLLCs, will be briefly explained. Then, using this rate in RRM for URLLC will be discussed. KW - Datennetz KW - URLLC KW - RRM KW - delay QoS exponent KW - decoding error rate KW - delay bound violation probability KW - short block-length KW - effective Bandwidth Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280859 ER - TY - RPRT A1 - Vomhoff, Viktoria A1 - Geißler, Stefan A1 - Hoßfeld, Tobias T1 - Identification of Signaling Patterns in Mobile IoT Signaling Traffic T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - We attempt to identify sequences of signaling dialogs, to strengthen our understanding of the signaling behavior of IoT devices by examining a dataset containing over 270.000 distinct IoT devices whose signaling traffic has been observed over a 31-day period in a 2G network [4]. We propose a set of rules that allows the assembly of signaling dialogs into so-called sessions in order to identify common patterns and lay the foundation for future research in the areas of traffic modeling and anomaly detection. KW - Datennetz KW - IoT Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280819 ER - TY - RPRT A1 - Raffeck, Simon A1 - Geißler, Stefan A1 - Hoßfeld, Tobias T1 - DBM: Decentralized Burst Mitigation for Self-Organizing LoRa Deployments T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - This work proposes a novel approach to disperse dense transmission intervals and reduce bursty traffic patterns without the need for centralized control. Furthermore, by keeping the mechanism as close to the Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) standard as possible the suggested mechanism can be deployed within existing networks and can even be co-deployed with other devices. KW - Datennetz KW - LoRa Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280809 ER - TY - RPRT A1 - Alfredsson, Rebecka A1 - Kassler, Andreas A1 - Vestin, Jonathan A1 - Pieska, Marcus A1 - Amend, Markus T1 - Accelerating a Transport Layer based 5G Multi-Access Proxy on SmartNIC T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - Utilizing multiple access technologies such as 5G, 4G, and Wi-Fi within a coherent framework is currently standardized by 3GPP within 5G ATSSS. Indeed, distributing packets over multiple networks can lead to increased robustness, resiliency and capacity. A key part of such a framework is the multi-access proxy, which transparently distributes packets over multiple paths. As the proxy needs to serve thousands of customers, scalability and performance are crucial for operator deployments. In this paper, we leverage recent advancements in data plane programming, implement a multi-access proxy based on the MP-DCCP tunneling approach in P4 and hardware accelerate it by deploying the pipeline on a smartNIC. This is challenging due to the complex scheduling and congestion control operations involved. We present our pipeline and data structures design for congestion control and packet scheduling state management. Initial measurements in our testbed show that packet latency is in the range of 25 μs demonstrating the feasibility of our approach. KW - Datennetz KW - multipath KW - MP-DCCP KW - 5G-ATSSS KW - networking KW - dataplane programming KW - P4 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280798 ER - TY - RPRT A1 - Höweler, Malte A1 - Xiang, Zuo A1 - Höpfner, Franz A1 - Nguyen, Giang T. A1 - Fitzek, Frank H. P. T1 - Towards Stateless Core Networks: Measuring State Access Patterns T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - Future mobile communication networks, such as 5G and beyond, can benefit from Virtualized Network Functions (VNFs) when deployed on cloud infrastructures to achieve elasticity and scalability. However, new challenges arise as to managing states of Network Functions (NFs). Especially control plane VNFs, which are mainly found in cellular core networks like the 5G Core (5GC), received little attention since the shift towards virtualizing NFs. Most existing solutions for these core networks are often complex, intrusive, and are seldom compliant with the standard. With the emergence of 5G campus networks, UEs will be mainly machine-type devices. These devices communicate more deterministically, bringing new opportunities for elaborated state management. This work presents an emulation environment to perform rigorous measurements on state access patterns. The emulation comes with a fully parameterized Markov model for the UE to examine a wide variety of different devices. These measurements can then be used as a solid base for designing an efficient, simple, and standard conform state management solution that brings us further towards stateless core networks. KW - Datennetz KW - 5GC KW - VNF KW - SBA KW - measurements KW - MTC Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280770 ER - TY - RPRT A1 - Lhamo, Osel A1 - Nguyen, Giang T. A1 - Fitzek, Frank H. P. T1 - Virtual Queues for QoS Compliance of Haptic Data Streams in Teleoperation T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - Tactile Internet aims at allowing perceived real-time interactions between humans and machines. This requires satisfying a stringent latency requirement of haptic data streams whose data rates vary drastically as the results of perceptual codecs. This introduces a complex problem for the underlying network infrastructure to fulfill the pre-defined level of Quality of Service (QoS). However, novel networking hardware with data plane programming capability allows processing packets differently and opens up a new opportunity. For example, a dynamic and network-aware resource management strategy can help satisfy the QoS requirements of different priority flows without wasting precious bandwidth. This paper introduces virtual queues for service differentiation between different types of traffic streams, leveraging protocol independent switch architecture (PISA). We propose coordinating the management of all the queues and dynamically adapting their sizes to minimize packet loss and delay due to network congestion and ensure QoS compliance. KW - Datennetz KW - data plane programming KW - software defined network KW - P4 KW - virtual queue KW - haptic data Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280762 ER - TY - RPRT A1 - Grigorjew, Alexej A1 - Diederich, Philip A1 - Hoßfeld, Tobias A1 - Kellerer, Wolfgang T1 - Affordable Measurement Setups for Networking Device Latency with Sub-Microsecond Accuracy T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - This document presents a networking latency measurement setup that focuses on affordability and universal applicability, and can provide sub-microsecond accuracy. It explains the prerequisites, hardware choices, and considerations to respect during measurement. In addition, it discusses the necessity for exhaustive latency measurements when dealing with high availability and low latency requirements. Preliminary results show that the accuracy is within ±0.02 μs when used with the Intel I350-T2 network adapter. KW - Datennetz KW - latency Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280751 ER - TY - RPRT A1 - Sertbas Bülbül, Nurefsan A1 - Ergenc, Doganalp A1 - Fischer, Mathias T1 - Evaluating Dynamic Path Reconfiguration for Time Sensitive Networks T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - In time-sensitive networks (TSN) based on 802.1Qbv, i.e., the time-aware Shaper (TAS) protocol, precise transmission schedules and, paths are used to ensure end-to-end deterministic communication. Such resource reservations for data flows are usually established at the startup time of an application and remain untouched until the flow ends. There is no way to migrate existing flows easily to alternative paths without inducing additional delay or wasting resources. Therefore, some of the new flows cannot be embedded due to capacity limitations on certain links which leads to sub-optimal flow assignment. As future networks will need to support a large number of lowlatency flows, accommodating new flows at runtime and adapting existing flows accordingly becomes a challenging problem. In this extended abstract we summarize a previously published paper of us [1]. We combine software-defined networking (SDN), which provides better control of network flows, with TSN to be able to seamlessly migrate time-sensitive flows. For that, we formulate an optimization problem and propose different dynamic path configuration strategies under deterministic communication requirements. Our simulation results indicate that regularly reconfiguring the flow assignments can improve the latency of time-sensitive flows and can increase the number of flows embedded in the network around 4% in worst-case scenarios while still satisfying individual flow deadlines. KW - Datennetz KW - SDN KW - dynamic flow migration KW - reconfiguration KW - TSN KW - path computation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280743 ER - TY - RPRT A1 - Deutschmann, Jörg A1 - Hielscher, Kai-Steffen A1 - German, Reinhard T1 - Next-Generation Satellite Communication Networks T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - This paper gives an overview of our recent activities in the field of satellite communication networks, including an introduction to geostationary satellite systems and Low Earth Orbit megaconstellations. To mitigate the high latencies of geostationary satellite networks, TCP-splitting Performance Enhancing Proxies are deployed. However, these cannot be applied in the case of encrypted transport headers as it is the case for VPNs or QUIC. We summarize performance evaluation results from multiple measurement campaigns. In a recently concluded project, multipath communication was used to combine the advantages of very heterogeneous communication paths: low data rate, low latency (e.g., DSL light) and high data rate, high latency (e.g., geostationary satellite). KW - Datennetz KW - satellite communication KW - Performance Enhancing Proxies KW - transport protocols KW - VPN KW - QUIC KW - multipath communication KW - hybrid access Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280732 ER - TY - RPRT A1 - Le, Duy Thanh A1 - Großmann, Marcel A1 - Krieger, Udo R. T1 - Cloudless Resource Monitoring in a Fog Computing System Enabled by an SDN/NFV Infrastructure T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - Today’s advanced Internet-of-Things applications raise technical challenges on cloud, edge, and fog computing. The design of an efficient, virtualized, context-aware, self-configuring orchestration system of a fog computing system constitutes a major development effort within this very innovative area of research. In this paper we describe the architecture and relevant implementation aspects of a cloudless resource monitoring system interworking with an SDN/NFV infrastructure. It realizes the basic monitoring component of the fundamental MAPE-K principles employed in autonomic computing. Here we present the hierarchical layering and functionality within the underlying fog nodes to generate a working prototype of an intelligent, self-managed orchestrator for advanced IoT applications and services. The latter system has the capability to monitor automatically various performance aspects of the resource allocation among multiple hosts of a fog computing system interconnected by SDN. KW - Datennetz KW - fog computing KW - SDN/NVF KW - container virtualization KW - autonomic orchestration KW - docker Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280723 ER - TY - RPRT A1 - Savvidis, Dimitrios A1 - Roth, Robert A1 - Tutsch, Dietmar T1 - Static Evaluation of a Wheel-Topology for an SDN-based Network Usecase T2 - Würzburg Workshop on Next-Generation Communication Networks (WueWoWas'22) N2 - The increased occurrence of Software-Defined-Networking (SDN) not only improves the dynamics and maintenance of network architectures, but also opens up new use cases and application possibilities. Based on these observations, we propose a new network topology consisting of a star and a ring topology. This hybrid topology will be called wheel topology in this paper. We have considered the static characteristics of the wheel topology and compare them with known other topologies. KW - Datennetz KW - SDN KW - topology KW - wheel Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280715 ER - TY - THES A1 - Selby, Joshua T1 - Design and Chiroptical Properties of Chirally Substituted Indolenine Squaraine Mono-, Oligo-, and Polymers T1 - Design und chiroptische Eigenschaften von chiral substituierten Indolenin-Squarain-Mono-, Oligo- und Polymeren N2 - A series of monomeric chirally substituted indolenine squaraine monomers were successfully synthesized and utilized for the construction of various oligo- and polymers, in order to study their chiroptical properties in terms of exciton chirality. The quaternary carbon atom at the 3-position of the indolenine subunit, as well as the alkyl side chain attached to the indolenine nitrogen were selected as the most suitable site for chiral functionalization. For the C(3)-chiral derivatives, two synthetic routes depending on the desired substitution at the stereogenic center were established. The chiral side chains were prepared via Evans asymmetric alkylation where the resulting branching point at the 2 position constituted the chiral center. While the chiral substitution only had minor effects on the linear optical properties and geometric structure of the chromophore, all compounds exhibited a distinct and measurable CD signal that correlated with the distance of the chiral center to the central chromophore. Polymers bearing chiral side chains exhibited a solvent- and temperature-dependent helix-coil equilibrium, which was influenced by the type of side chain used. CD spectroscopy revealed the helical conformation to possess a preferred twist sense, and temperature-dependent measurements showed the degree of homohelicity to be nearly complete in certain cases. Furthermore, a CPL signal was able to be obtained for the helical conformer of one polymer. Various (co)oligo- and polymers comprising the C(3)-chiral monomers only displayed a solvent-independent J-type absorption behavior and thus did not form helical conformations in solution. CD spectroscopy revealed a solvent-dependent adoption of quasi-enantiomeric conformers, which was elucidated by quantum chemical TDDFT calculations. N2 - Eine Reihe von monomeren, chiral substituierten Indolenin-Squarain-Monomeren wurde erfolgreich synthetisiert und für die Konstruktion verschiedener Oligo- und Polymere verwendet, um ihre chiroptischen Eigenschaften in Bezug auf die Exzitonenchiralität zu untersuchen. Als geeignete Stelle für die chirale Funktionalisierung wurden das quartäre Kohlenstoffatom an der 3-Position der Indolenineinheit sowie die an den Indolenin- Stickstoff gebundene Alkylseitenkette ausgewählt. Für die C(3)-chiralen Derivate wurden je nach gewünschter Substitution am stereogenen Zentrum zwei Synthesrouten etabliert. Die chiralen Seitenketten wurden über eine asymmetrische Evans-Alkylierung synthetisiert, wobei der resultierende Verzweigungspunkt an der 2-Position das chirale Zentrum darstellte. Während die chirale Substitution nur geringe Auswirkungen auf die linearen optischen Eigenschaften und die geometrische Struktur des Chromophors hatte, zeigten alle Verbindungen ein deutliches und messbares CD-Signal, das mit dem Abstand des chiralen Zentrums zum zentralen Chromophor korrelierte. Polymere mit chiralen Seitenketten zeigten ein lösungsmittel- und temperaturabhängiges Helix-Knäuel-Gleichgewicht, das durch die Art der verwendeten Seitenkette beeinflusst wurde. Durch CD Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass die helikale Konformation einen bevorzugten Drehsinn besitzt. Temperaturabhängige CD Messungen zeigten, dass der Grad der Homohelizität in bestimmten Fällen nahezu vollständig ist. Weiterhin konnte für das helikale Konformer eines Polymers ein CPL-Signal erhalten werden. Verschiedene (Co)oligo- und Polymere bestehend aus den C(3)-chiralen Monomere zeigten nur ein lösungsmittelunabhängiges J- Typ Absorptionsverhalten und bildeten daher in Lösung keine helikalen Konformationen. CD-Spektroskopie zeigte eine lösungsmittelabhängige Annahme von quasi-enantiomeren Konformationen, was durch quantenchemische TDDFT-Rechnungen aufgeklärt wurde. KW - Squaraine KW - Oligomere KW - Polymere KW - Chiralität KW - Chemische Synthese KW - Asymmetrische Synthese KW - CD-Spektroskopie KW - Helix-Knäuel-Umwandlung KW - J- and H-Aggregate KW - Asymmetric synthesis KW - Helix-Coil-Transition KW - J- and H-Aggregates KW - Circular dichroism Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282067 ER - TY - THES A1 - Freimann, Andreas T1 - Efficient Communication in Networks of Small Low Earth Orbit Satellites and Ground Stations T1 - Effiziente Kommunikation in Netzwerken bestehend aus Kleinstsatelliten in erdnahen Umlaufbahnen und Bodenstationen N2 - With the miniaturization of satellites a fundamental change took place in the space industry. Instead of single big monolithic satellites nowadays more and more systems are envisaged consisting of a number of small satellites to form cooperating systems in space. The lower costs for development and launch as well as the spatial distribution of these systems enable the implementation of new scientific missions and commercial services. With this paradigm shift new challenges constantly emerge for satellite developers, particularly in the area of wireless communication systems and network protocols. Satellites in low Earth orbits and ground stations form dynamic space-terrestrial networks. The characteristics of these networks differ fundamentally from those of other networks. The resulting challenges with regard to communication system design, system analysis, packet forwarding, routing and medium access control as well as challenges concerning the reliability and efficiency of wireless communication links are addressed in this thesis. The physical modeling of space-terrestrial networks is addressed by analyzing existing satellite systems and communication devices, by evaluating measurements and by implementing a simulator for space-terrestrial networks. The resulting system and channel models were used as a basis for the prediction of the dynamic network topologies, link properties and channel interference. These predictions allowed for the implementation of efficient routing and medium access control schemes for space-terrestrial networks. Further, the implementation and utilization of software-defined ground stations is addressed, and a data upload scheme for the operation of small satellite formations is presented. N2 - Mit der Miniaturisierung von Satelliten hat eine fundamentale Änderung in der Raumfahrtindustrie stattgefunden. Anstelle von einzelnen, großen, monolithischen Satelliten werden heutzutage immer mehr Systeme entworfen die aus mehreren Kleinstsatelliten bestehen die kooperativ zusammenarbeiten. Die geringeren Kosten für Entwicklung und Start sowie die räumliche Verteilung dieser Satellitensysteme ermöglichen die Realisierung neuer wissenschaftlicher Missionen und kommerzieller Dienstleistungen. Durch diesen Paradigmenwechsel entstehen neue Herausforderungen für Ingenieure, insbesondere in den Bereichen Funkkommunikation und Netzwerkprotokolle. Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen und Bodenstationen bilden sogenannte Satelliten-terrestrische Netzwerke. Die Eigenschaften dieser Netzwerke unterscheiden sich wesentlich von denen anderer Netzwerke. Die resultierenden Herausforderungen in den Bereichen Systemdesign, Systemanalyse, Paketvermittlung, Routing und Medienzugriffskontrolle, sowie Herausforderungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Effizienz der Funkkommunikation werden in dieser Dissertation behandelt. Die physikalische Modellierung von Satelliten-terrestrischen Netzwerken wird behandelt durch die Analyse von existierenden Satelliten- und Funkkommunikationssystemen, durch die Nutzung von Messungen an einer Bodenstation und einem Satelliten und durch die Implementierung eines Simulators für Satelliten-terrestrische Netzwerke. Die resultierenden System- und Kanalmodelle wurden als Basis für die Prädiktion der dynamischen Netzwerktopologien, Verbindungseigenschaften und Kanalinterferenzen genutzt. Diese Prädiktionen haben die Implementierung effizienter Verfahren für Routing und Medienzugriffskontrolle in Satelliten-terrestrischen Netzwerken ermöglicht. Darüber hinaus wird die Implementierung und Nutzung von Bodenstationen auf Basis von digitaler Signalverarbeitung behandelt und ein Datenübertragungsverfahren für den Betrieb von Kleinstsatellitenformationen beschrieben und evaluiert. T3 - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 25 KW - Satellitenfunk KW - Delay Tolerant Network KW - Kleinsatellit KW - Routing KW - Low Earth Orbit KW - Satellite Network KW - Media Access Control KW - Satellite Ground Station Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280521 SN - 978-3-945459-41-6 ER - TY - THES A1 - Langejahn, Marcus T1 - Hard X-ray Properties of Relativistically Beamed Jets from Radio- and Gamma-Ray-Bright Blazars T1 - Eigenschaften der harten Röntgenstrahlung von relativistisch gebeamten radio- und gamma-hellen Blazaren N2 - In this work I characterize the hard X-ray properties of blazars, active galactic nuclei with highly beamed emission, which are notoriously hard to detect in this energy range. I employ pre-defined samples of beamed AGN: the radio-selected MOJAVE and TANAMI samples, as well as the most recent gamma-ray-selected Fermi/LAT 4LAC catalog. The hard X-ray data is extracted from the 105-month all-sky survey maps of the Swift/BAT (Burst Alert Telescope) in the energy band of 20 keV to 100 keV. A great majority of both the MOJAVE and TANAMI samples are significantly detected, with signal-to noise ratios of the sources often just below the X-ray catalog signal thresholds. All blazar sub-types (FSRQs, BL Lacs) and radio galaxies show characteristic ranges of X-ray flux, luminosity, and photon index. Their properties are correlated with the corresponding SED's shape / peak frequency. The LogN-LogS distributions of the samples show a scarcity of blazars in the middle and lower X-ray flux range, indicating differing evolutionary paths between radio and X-ray emission, which is also suggested by the corresponding luminosity functions. Compared to the radio samples, the 4LAC sources are on average significantly less bright in the BAT band since this range often coincides with the spectral gap region between the two big SED emission bumps. Also, the spectral shapes differ notably, especially for the sub-type of BL Lacs. Using the parameter space of X-ray and gamma-ray photon indices, 35 blazar candidate sources can be assigned to either the FSRQ or BL Lac type with high certainty. The reason why many blazars are weak in this energy band can be traced back to a number of factors: the selection bias of the initial sample, differential evolution of the X-rays and the wavelengths in which the sample is defined, and the limited sensitivity of the observing instruments. N2 - In dieser Arbeit charakterisiere ich die Eigenschaften der harten Röntgenstrahlung von Blazaren, aktiven Galaxienkernen mit stark gebeamter Emission, welche in diesem Energiebereich oft schwer detektierbar sind. Dafür verwende ich vordefinierte AGN-Samples: die im Radiobereich ausgewählten MOJAVE- und TANAMI-Samples sowie den im Gammastrahlenbereich definierten Fermi/LAT 4LAC-Katalog. Die Röntgendaten stammen aus dem 105-monatigen All-Sky-Survey des Swift/BAT (Burst Alert Telescope) bei 20 keV bis 100 keV. Der Großteil der MOJAVE- und TANAMI-Samples sind signifikant detektiert, wobei das Signal/Rausch-Verhältnis der Quellen oft knapp unter dem Limit der Röntgenkataloge liegt. Alle Blazar-Subtypen (FSRQs, BL Lacs) und Radiogalaxien zeigen charakteristische Bereiche des Röntgenflusses, der Leuchtkraft und des Photonenindexes. Ihre Eigenschaften korrelieren mit der Form bzw. Peak-Frequenz der entsprechenden SED. Die LogN-LogS-Verteilungen der Samples zeigen einen Mangel an Blazaren im mittleren und unteren Flussbereich, was auf unterschiedliche Entwicklungen zwischen Radio- und Röntgenemission hinweist, bestätigt durch die entsprechenden Leuchtkraftfunktionen. Im Vergleich zu den Radio-Samples sind die 4LAC-Quellen im BAT-Band durchschnittlich deutlich weniger hell, da dieser Bereich oft mit der großen spektralen Lücke der Blazar-SEDs zusammenfällt. Auch die spektralen Formen unterscheiden sich deutlich, insbesondere für BL Lacs. Unter Verwendung des Parameterraums der Röntgen- und Gammastrahlen-Photonenindizes können 35 Blazarkandidaten mit hoher Sicherheit entweder dem FSRQ- oder BL Lac-Typ zugeordnet werden. Der Grund, warum viele Blazare in diesem Energieband schwach sind, kann auf eine Reihe von Faktoren zurückgeführt werden: den Auswahleffekt des ursprünglichen Samples, die unterschiedliche Entwicklung der Röntgenstrahlung und der Wellenlängen, in denen das Sample definiert ist, sowie die begrenzte Empfindlichkeit der Beobachtungsinstrumente. KW - Aktiver galaktischer Kern KW - Blazar KW - Röntgenstrahlung KW - Radio KW - Gammastrahlung KW - Swift KW - Burst Alert Telescope KW - Fermi KW - AGN KW - Mojave KW - Tanami KW - X-ray Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282009 ER - TY - THES A1 - Gerbershagen, Marius T1 - Quantum information and the emergence of spacetime in the AdS/CFT correspondence T1 - Quanteninformation und die Entstehung der Raumzeit in der SdS/CFT- Korrespondenz N2 - This thesis studies connections between quantum information measures and geometric features of spacetimes within the AdS/CFT correspondence. These studies are motivated by the idea that spacetime can be thought of as an effect emerging from an underlying entanglement structure in the AdS/CFT correspondence. In particular, I study generalized entanglement measures in two-dimensional conformal field theories and their holographic duals. Unlike the ordinary entanglement entropy of a spatial subregion typically used in the AdS/CFT context, the generalization considered here measures correlations between different fields as well as between spatial degrees of freedom. I present a new gauge invariant definition of the generalized entanglement entropy applicable to both mixed and pure states as well as explicit results for thermal states of the S_N-orbifold theory of the D1/D5 system. Along the way, I develop computation techniques for conformal blocks on the torus and apply them to the calculation of the ordinary entanglement entropy for large central charge CFTs at finite size and finite temperature. The generalized Ryu-Takayanagi formula arising from these studies provides further support for the idea that entanglement and geometry are intrinsically linked in AdS/CFT. The results show that the holographic dual to the generalized entanglement entropy given by the length of a geodesic winding around black hole horizons or naked singularities probes subregions of spacetime that are inaccessible to Ryu-Takayanagi surfaces, thereby solving the puzzle of how these features of the spacetime are encoded in the boundary theory. Furthermore, I investigate quantum circuits embedded in two-dimensional conformal field theories as well as computational complexity measures therein. These investigations are motivated by conjectures relating computational complexity in conformal field theories to geometric features of black hole geometries. In this thesis, I study quantum circuits built up from conformal transformations. I investigate examples of computational complexity measures in these circuits related to geometric actions on coadjoint orbits of the Virasoro group and to the Fubini-Study metric. I then work out relations between these computational complexity measures and the dual gravitational theory. Moreover, I construct a bulk dual to the circuits in consideration and use this construction to study geometric realizations of computational complexity measures from first principles. The results of this part on the one hand rule out some possibilities for dual realizations of computational complexity in two-dimensional CFTs put forward in previous work while on the other hand providing a new robust dual realization of a computational complexity measure based on the Fubini-Study distance. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit Zusammenhängen zwischen Quanteninformationsmaßen und geometrischen Eigenschaften von Raumzeiten im Rahmen der AdS/CFT-Korrespondenz. Diese Untersuchungen sind motiviert durch die Idee, dass die Raumzeit in der AdS/CFT-Korrespondenz als ein Effekt verstanden werden kann, der aus einer zugrundeliegenden Verschränkungsstruktur entsteht. Insbesondere untersuche ich in dieser Arbeit verallgemeinerte Verschränkungsmaße in zweidimensionalen konformen Feldtheorien und deren holographisch duale Realisierungen. Anders als die normale Verschränkungsentropie einer räumlichen Teilregion, die üblicherweise im AdS/CFT-Kontext betrachtet wird, misst die verallgemeinerte Verschränkungsentropie Korrelationen sowohl zwischen verschiedenen Feldern als auch zwischen räumlichen Freiheitsgraden. Ich stelle eine neue eichinvariante Definition der verallgemeinerten Verschränkungsentropie, die sowohl für reine als auch für gemischte Zustände anwendbar ist, sowie explizite Berechnungen dieser Verschränkungsentropie in der S_N-Orbifaltigkeitstheorie des D1/D5-Systems vor. Nebenbei entwickle ich Berechnungsmethoden für konforme Blöcke auf dem Torus und wende diese auf die Berechnung der normalen Verschränkungsentropie für konforme Feldtheorien mit großer zentraler Ladung bei endlicher Systemgröße und endlicher Temperatur an. Die verallgemeinerte Ryu-Takayanagi-Formel, die sich aus diesen Betrachtungen ergibt, unterstützt die Idee, dass Verschränkung und Geometrie in der AdS/CFT-Korrespondenz untrennbar miteinander verbunden sind. Die Ergebnisse zeigen, dass das holographische Dual zur verallgemeinerten Verschränkungsentropie, gegeben durch die Länge einer Geodäte die sich um einen Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs oder eine nackte Singularität windet, in Teilregionen der Raumzeit eindringt die für Ryu-Takayanagi-Flächen unerreichbar sind. Damit klären sie auf wie diese Eigenschaften der Raumzeit in der Randtheorie kodiert sind. Des weiteren untersuche ich Quantenschaltkreise eingebettet in zweidimensionale konforme Feldtheorie und deren Komplexität. Diese Untersuchungen sind motiviert durch Hypothesen, die Komplexitätstheorie mit Eigenschaften von Raumzeiten schwarzer Löcher in Verbindung bringen. In dieser Dissertation analysiere ich Quantenschaltkreise, die aus konformen Transformationen aufgebaut sind. Ich betrachte Komplexitätsmaße in diesen Schaltkreisen zusammenhängend mit geometrischen Wirkungen auf koadjungierten Orbits der Virasoro-Gruppe oder mit der Fubini-Study-Metrik und arbeite Zusammenhänge zwischen diesen Komplexitätsmaßen und Aspekten der dualen Gravitationstheorie heraus. Außerdem konstruiere ich das Dual der betrachteten Schaltkreise in der Gravitationstheorie und untersuche damit geometrische Realisierungen von Komplexitätsmaßen. Die Ergebnisse dieses Teils schließen einerseits einige Möglichkeiten für duale Realisierungen von Komplexitätsmaßen aus, die in vorigen Arbeiten vorgeschlagen wurden, ergeben aber andererseits eine robuste neue duale Realisierung eines Komplexitätsmaßes basierend auf der Fubini-Study-Metrik. KW - AdS-CFT-Korrespondenz KW - Zweidimensionale konforme Feldtheorie KW - Quanteninformation KW - AdS/CFT correspondence KW - Conformal field theory KW - Quantum information Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281997 ER - TY - THES A1 - Madeira, Octavia T1 - The Human-Experimental Virtual Elevated Plus-Maze as an Anxiety Model T1 - Das human-experimentelle virtuelle Elevated Plus-Maze als Angstmodell N2 - Anxiety research is one of the major psychological research domains and looks back on decades of research activity. Traditionally, novel theories and approaches are tested utilizing animal models. One way to study inherent anxiety in rodents is the elevated plus-maze (EPM). The EPM is a plus-shaped platform with two closed, i.e., walled, arms and two open unwalled arms. If given the opportunity to freely explore the apparatus, rodents instinctively avoid the open arms to protect themselves from predators. Hence, they spent less time on open and more time on closed arms, which is behaviorally associated with general anxiety. In the course of the pharmacological validation, it was found that this exploratory pattern can be reversed by anxiolytic substances, e.g., benzodiazepines, or potentiated by anxiogenics. One of the significant advantages of the EPM is that no prior training session is required in contrast to conditioning studies, thus allowing to observe natural behavior. Therefore, together with the economic and uncomplicated setup, the EPM has become a standard preclinical rodent anxiety test over the decades. In order to validate these rodent anxiety tests, there have recently been attempts to retranslate them to humans. A paramount of cross-species validation is not only the simple transferability of these animal tests but also the observation of anxiety behaviors that are evolutionarily conserved across species. Accordingly, it could be possible to conclude various factors associated with the etiology and maintenance of anxiety disorders in humans. So far, convincing translations of the EPM to humans are still lacking. For that reason, the primary aim of this dissertation is to retranslate the EPM throughout three studies and to evaluate cross-species validity critically. Secondly, the undertaken studies are set out to observe ambulatory activity equivalent to rodent EPM behavior, i.e., open arm avoidance. Thirdly, the undertaken studies aimed to assess the extent to which trait anxiety influences human exploratory activity on the platform to associate it with the assumption that rodent EPM-behavior is a reflection of general anxiety. Finally, virtual reality (VR) was the method of choice to maintain the economic advantage and adjust the EPM size to humans. Study 1 (N = 30) was set up to directly transfer the rodent EPM regarding test design and experimental procedure using a Computer Automatic Virtual Environment (CAVE). The results revealed that humans unlike rodents display a general open arms approach during free exploration. However, open arm avoidance was associated with high trait anxiety and acrophobia (fear of height), which was initially assessed as a control variable due to the virtual platform height. Regression analyses and subjective anxiety ratings hinted at a more significant influence of acrophobia on open arm avoidance. In addition, it was assumed that the open arms approach might have resulted from claustrophobic tendencies experienced in the closed arms due to the high walls. Study 2 (N = 61) sought to differentiate the influence of trait anxiety and acrophobia and adapt the virtual EPM to humans. Therefore, parts of the platform held a semi-transparent grid-floor texture, and the wall height on the closed arms was reduced to standard handrail level. Moreover, participants were priorly screened to exclude clinically significant levels of acrophobia, claustrophobia, and agoraphobia. The data on general exploratory activity showed no arm preference. Regression analyses confirmed that acrophobia is related to open arm avoidance, corroborating the finding of Study 1. Surprisingly, for trait anxiety, the result of Study 1 could not be replicated. Instead, for trait anxiety, no significant effect was found indicating that predominantly fear of heights shapes human EPM behavior even on a subclinical stage. In Study 3 (N = 57), the EPM was embedded into a city setting to 1) create a more natural human environment and 2) eliminate height. Furthermore, a head-mounted display was utilized for VR presentation, and arousal ratings were introduced. Participants were screened for high and low levels of trait anxiety and agoraphobia, and claustrophobia. Replicating the findings of Study 2, no difference in open and closed arm activity was observed, and no effect was found in relationship with trait anxiety. The data on anxiety ratings and claustrophobia suggest a positive correlation indicating that in this city EPM, claustrophobic tendencies might play a role in closed arm avoidance. In summary, this thesis added valuable insights into the retranslation of a well-established standard anxiety test used in rodents. However, it also majorly challenges current findings on the cross-species validity of the EPM. Various explanatory models for the results are critically discussed and associated with clinical implications concerning future research. N2 - Die Angstforschung ist eines der wichtigsten psychologischen Forschungsgebiete und blickt auf eine jahrzehntelange Forschungstätigkeit zurück. Traditionell werden neue Theorien und Ansätze anhand von Tiermodellen getestet. Eine Möglichkeit, inhärente Angst bei Nagetieren zu untersuchen, ist das Elevated Plus-Maze (EPM). Das EPM ist eine plusförmige Plattform mit zwei geschlossenen, d. h. mit Wänden versehenen, Armen und zwei offenen, nicht mit Wänden umschlossenen, Armen. Wenn Nagetiere die Möglichkeit haben, die Plattform frei zu erkunden, meiden sie instinktiv die offenen Arme, um sich vor Fressfeinden zu schützen, d.h. sie verbringen weniger Zeit in den offenen und mehr Zeit in den geschlossenen Armen, was verhaltensmäßig mit Ängstlichkeit assoziiert wird. Im Rahmen der pharmakologischen Validierung wurde festgestellt, dass dieses Explorationsmuster durch anxiolytische Substanzen, z. B. Benzodiazepine, umgekehrt oder durch anxiogene Substanzen verstärkt werden kann. Einer der wesentlichen Vorteile des EPM ist, dass im Gegensatz zu Konditionierungsstudien kein vorheriges Training erforderlich ist und somit natürliches Verhalten beobachtet werden kann. Zusammen mit dem ökonomischen und unkomplizierten Versuchsaufbau hat sich das EPM daher im Laufe der Jahrzehnte zu einem Standardtest für präklinische Angstforschung bei Nagern entwickelt. Um diese Angsttests von Nagern zu validieren, wurde kürzlich versucht, diese auf den Menschen zu übertragen. Eine wichtige Voraussetzung für die artenübergreifende Validierung ist nicht nur die einfache Translation dieser Tiertests, sondern auch die Beobachtung von Angstverhalten, das evolutionär über alle Arten hinweg konserviert ist. Darauf aufbauend könnte es möglich sein, auf verschiedene Faktoren zu schließen, die mit der Entstehung und Aufrechterhaltung von Angststörungen beim Menschen in Verbindung stehen. Bislang fehlt es noch an einer überzeugenden Übertragung des EPM auf den Menschen. Aus diesem Grund besteht das primäre Ziel dieser Dissertation darin, das EPM in drei Studien neu zu übersetzen und die speziesübergreifende Validität kritisch zu bewerten. Zweitens sollen die durchgeführten Studien eine dem EPM-Verhalten von Nagetieren äquivalente Bewegungsaktivität beobachten, d.h. die Vermeidung offener Arme. Drittens zielten die durchgeführten Studien darauf ab, das Ausmaß zu bewerten, in dem Angstmerkmale das Explorationsverhalten des Menschen auf der Plattform beeinflussen, um sie mit der Annahme in Verbindung zu bringen, dass das EPM-Verhalten von Nagetieren Ängstlichkeit repräsentiert. Schließlich war die virtuelle Realität (VR) die Methode der Wahl, um die ökonomische Validität zu erhalten und das EPM in seiner Größe an den Menschen anpassen zu können. In Studie 1 (N = 30) wurde das Tier-EPM hinsichtlich des Testdesigns und des Versuchsablaufs unter Verwendung einer computergesteuerten virtuellen Umgebung (CAVE) direkt auf den Menschen übertragen. Die Ergebnisse zeigten, dass Menschen im Gegensatz zu Nagern während der freien Exploration generell eine Annäherung zu den offenen Armen zeigen. Die Vermeidung offener Arme war jedoch mit hoher Traitängstlichkeit und Akrophobie (Höhenangst) verbunden, die aufgrund der Höhe der virtuellen Plattform zunächst als Kontrollvariable erhoben wurde. Regressionsanalysen und subjektive Angstbewertungen deuteten auf einen stärkeren Einfluss der Akrophobie auf die Vermeidung der offenen Arme hin. Darüber hinaus wurde angenommen, dass die Vermeidung der offenen Arme aus klaustrophobischen Tendenzen resultieren könnte, die in den geschlossenen Armen aufgrund der hohen Wände auftreten. In Studie 2 (N = 61) wurde versucht, den Einfluss von Traitängstlichkeit und Akrophobie zu differenzieren und das virtuelle EPM an den Menschen anzupassen. Daher waren Teile der Plattform mit einer halbtransparenten Gitterbodenstruktur versehen, und die Wandhöhe in den geschlossenen Armen wurde auf die Höhe eines Standardgeländers reduziert. Darüber hinaus wurden die Versuchsteilnehmer vorselektiert um klinisch signifikante Werte von Akrophobie, Klaustrophobie und Agoraphobie auszuschließen. Die Daten zu generellem Explorationsverhalten zeigten, dass keine Armpräferenz besteht. Die durchgeführte Regressionsanalyse demonstrierte, dass die Vermeidung der offenen Arme mit Akrophobie zusammenhängt, was die Ergebnisse von Studie 1 bestätigt. Überraschenderweise konnte das Ergebnis von Studie 1 in Bezug auf Traitängstlichkeit nicht repliziert werden. Stattdessen wurde für Ängstlichkeit kein signifikanter Effekt gefunden, was darauf hindeutet, dass hauptsächlich Höhenangst das menschliche EPM-Verhalten sogar in einem subklinischen Stadium prägt. In Studie 3 (N = 57) wurde das EPM in eine städtische Umgebung eingebettet, um 1) eine für den Menschen natürlichere Umgebung zu schaffen und 2) den Faktor Höhe zu eliminieren. Darüber hinaus wurde für die VR-Präsentation eine Virtual-Reality-Brille verwendet, und Arousalratings eingeführt. Die Teilnehmer wurden auf hohe und niedrige Werte von Traitängstlichkeit und Agoraphobie sowie Klaustrophobie untersucht. Wie in Studie 2 konnte kein Unterschied zwischen der Explorationstendenzen der offenen und der geschlossenen Arme beobachtet werden, und es wurde kein Effekt in Bezug auf die erhobenen Angstmerkmale festgestellt. Die Daten zu Angstbewertungen und Klaustrophobie deuten auf eine positive Korrelation hin, was darauf bedeutet, dass bei diesem Stadt-EPM klaustrophobische Tendenzen eine Rolle bei der Vermeidung des geschlossenen Arms spielen könnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit wertvolle Einblicke in die Retranslation eines gut etablierten Standard-Angsttests für Nager liefert. Sie stellt jedoch auch die derzeitigen Erkenntnisse über die artenübergreifende Validität des EPM in Frage. Verschiedene Erklärungsmodelle für die Ergebnisse werden kritisch diskutiert und mit klinischen Implikationen für die zukünftige Forschung verbunden. KW - Virtuelle Realität KW - Angststörung KW - Elevated Plus-Maze KW - Explorationsverhalten Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281478 ER - TY - THES A1 - Jiménez Martín, Ovidio Manuel T1 - Analysis of MYCN and MAX alterations in Wilms Tumor T1 - Analyse von MYCN- und MAX-Verändungen im Wilms Tumor N2 - Wilms tumor (WT) is the most common renal tumor in childhood. Among others, MYCN copy number gain and MYCN P44L and MAX R60Q mutations have been identified in WT. The proto-oncogene MYCN encodes a transcription factor that requires dimerization with MAX to activate transcription of numerous target genes. MYCN gain has been associated with adverse prognosis. The MYCN P44L and MAX R60Q mutations, located in either the transactivating or basic helix-loop-helix domain, respectively, are predicted to be damaging by different pathogenicity prediction tools. These mutations have been reported in several other cancers and remain to be functionally characterized. In order to further describe these events in WT, we screened both mutations in a large cohort of unselected WT patients, to check for an association of the mutation status with certain histological or clinical features. MYCN P44L and MAX R60Q revealed frequencies of 3 % and 0.9 % and also were significantly associated to higher risk of relapse and metastasis, respectively. Furthermore, to get a better understanding of the MAX mutational landscape in WT, over 100 WT cases were analyzed by Sanger sequencing to identify other eventual MAX alterations in its coding sequence. R60Q remained the only MAX CDS alteration described in WT to date. To analyze the potential functional consequences of these mutations, we used a doxycycline-inducible system to overexpress each mutant in HEK293 cells. This biochemical characterization identified a reduced transcriptional activation potential for MAX R60Q, while the MYCN P44L mutation did not change activation potential or protein stability. The protein interactome of N-MYC-P44L was likewise not altered as shown by mass spectrometric analyses of purified N-MYC complexes. However, we could identify a number of novel N-MYC partner proteins, several of these known for their oncogenic potential. Their correlated expression in WT samples suggested a role in WT oncogenesis and they expand the range of potential biomarkers for WT stratification and targeting, especially for high-risk WT. N2 - Der Wilms Tumor (WT) ist der im Kindesalter am häufigsten auftretende Nierentumor. Neben anderen genetischen Veränderungen, wurden MYCN-Kopienzahlgewinn und der MYCN P44L- und MAX R60Q-Mutationen in WT identifiziert. Das Proto-Onkogen MYCN kodiert einen Transkriptionsfaktor, der eine Dimerisierung mit MAX erfordert, um die Transkription zahlreicher Zielgene zu aktivieren. Der MYCN-Gewinn wurde mit einer negativen Prognose assoziiert. Die MYCN P44L- und MAX R60Q-Mutationen, die sich entweder in der transaktivierenden oder in der basischen Helix-Loop-Helix-Domäne befinden, wurden durch verschiedene pathogene Vorhersage-Werkzeuge als schädigend prognostiziert. Über diese Mutationen wird bei mehreren anderen Krebsformen berichtet, doch sie wurden noch nicht umfassend biochemisch charakterisiert. Um diese Vorgänge in WT weitergehend zu charakterisieren, untersuchten wir beide Mutationen in einer großen Gruppe zufällig ausgewählter WT-Patienten mit dem Ziel, einen Zusammenhang zwischen dem Mutationsstatus und gewissen histologischen und klinischen Eigenschaften zu überprüfen. MYCN P44L und MAX R60Q ergaben eine Frequenz von 3 % bzw. 0,9 % in WT und wurden jeweils mit einem signifikant höheren Rückfall- und Metastasierungsrisiko assoziiert. Um ein besseres Verständnis der MAX-Mutationsszenarien in WT zu erlangen, wurden darüber hinaus mehr als einhundert WT-Fälle durch Sanger-Sequenzierung analysiert, mit dem Ziel, andere mögliche Veränderungen in der MAX-Kodierungssequenz zu identifizieren. R60Q blieb dabei die einzige bis heute beschriebene Veränderung der MAX-Kodierungssequenz in WT. Um die potentiellen funktionalen Folgen dieser Mutationen zu untersuchen, nutzten wir ein Doxycyclin-induziertes System, um eine Überexprimierung jedes Mutanten in HEK293-Zellen zu erzielen. Diese biochemische Charakterisierung identifizierte ein reduziertes Transkriptionsaktivierungspotential für MAX R60Q, während die MYCN P44L-Mutation das Aktivierungspotential oder die Proteinstabilität nicht veränderte. Das N-MYC Interaktom wurde während der Massenspektrometrie-Analyse von gereinigten N-MYC-Komplexen ebenfalls nicht verändert. Jedoch konnten wir eine Anzahl von neuartigen N-MYC Partnerproteinen bestimmen, von denen einige für ihr onkogenes Potenzial bekannt sind. Deren korrelierte Expression in WT-Proben deuteten auf eine Rolle bei der WT Onkogenese hin und erweitern die Auswahl potentieller Biomarker für die Stratifizierung von WTs und Gentargeting, insbesondere bei Hochrisiko-WTs. KW - Nephroblastom KW - Genmutation KW - Wilms Tumor KW - MYCN KW - MAX KW - Mutation KW - Protein interactor Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242919 ER - TY - JOUR A1 - Grittner, Rebecca A1 - Baird, Emily A1 - Stöckl, Anna T1 - Spatial tuning of translational optic flow responses in hawkmoths of varying body size JF - Journal of Comparative Physiology A N2 - To safely navigate their environment, flying insects rely on visual cues, such as optic flow. Which cues insects can extract from their environment depends closely on the spatial and temporal response properties of their visual system. These in turn can vary between individuals that differ in body size. How optic flow-based flight control depends on the spatial structure of visual cues, and how this relationship scales with body size, has previously been investigated in insects with apposition compound eyes. Here, we characterised the visual flight control response limits and their relationship to body size in an insect with superposition compound eyes: the hummingbird hawkmoth Macroglossum stellatarum. We used the hawkmoths' centring response in a flight tunnel as a readout for their reception of translational optic flow stimuli of different spatial frequencies. We show that their responses cut off at different spatial frequencies when translational optic flow was presented on either one, or both tunnel walls. Combined with differences in flight speed, this suggests that their flight control was primarily limited by their temporal rather than spatial resolution. We also observed strong individual differences in flight performance, but no correlation between the spatial response cutoffs and body or eye size. KW - allometry KW - vision KW - optic flow KW - flight control KW - hawkmoth Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266565 SN - 1432-1351 VL - 208 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Fleischmann, Pauline N. A1 - Grob, Robin A1 - Rössler, Wolfgang T1 - Magnetosensation during re-learning walks in desert ants (Cataglyphis nodus) JF - Journal of Comparative Physiology A N2 - At the beginning of their foraging careers, Cataglyphis desert ants calibrate their compass systems and learn the visual panorama surrounding the nest entrance. For that, they perform well-structured initial learning walks. During rotational body movements (pirouettes), naïve ants (novices) gaze back to the nest entrance to memorize their way back to the nest. To align their gaze directions, they rely on the geomagnetic field as a compass cue. In contrast, experienced ants (foragers) use celestial compass cues for path integration during food search. If the panorama at the nest entrance is changed, foragers perform re-learning walks prior to heading out on new foraging excursions. Here, we show that initial learning walks and re-learning walks are structurally different. During re-learning walks, foragers circle around the nest entrance before leaving the nest area to search for food. During pirouettes, they do not gaze back to the nest entrance. In addition, foragers do not use the magnetic field as a compass cue to align their gaze directions during re-learning walk pirouettes. Nevertheless, magnetic alterations during re-learning walks under manipulated panoramic conditions induce changes in nest-directed views indicating that foragers are still magnetosensitive in a cue conflict situation. KW - path integration KW - landmark panorama KW - learning and memory KW - magnetic compass KW - navigation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266556 SN - 1432-1351 VL - 208 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Guggenberger, Konstanze Viktoria A1 - Torre, Giulia Dalla A1 - Ludwig, Ute A1 - Vogel, Patrick A1 - Weng, Andreas Max A1 - Vogt, Marius Lothar A1 - Fröhlich, Matthias A1 - Schmalzing, Marc A1 - Raithel, Esther A1 - Forman, Christoph A1 - Urbach, Horst A1 - Meckel, Stephan A1 - Bley, Thorsten Alexander T1 - Vasa vasorum of proximal cerebral arteries after dural crossing - potential imaging confounder in diagnosing intracranial vasculitis in elderly subjects on black-blood MRI JF - European Radiology N2 - Objectives Vessel wall enhancement (VWE) may be commonly seen on MRI images of asymptomatic subjects. This study aimed to characterize the VWE of the proximal internal carotid (ICA) and vertebral arteries (VA) in a non-vasculitic elderly patient cohort. Methods Cranial MRI scans at 3 Tesla were performed in 43 patients (aged ≥ 50 years) with known malignancy for exclusion of cerebral metastases. For vessel wall imaging (VWI), a high-resolution compressed-sensing black-blood 3D T1-weighted fast (turbo) spin echo sequence (T1 CS-SPACE prototype) was applied post gadolinium with an isotropic resolution of 0.55 mm. Bilateral proximal intradural ICA and VA segments were evaluated for presence, morphology, and longitudinal extension of VWE. Results Concentric VWE of the proximal intradural ICA was found in 13 (30%) patients, and of the proximal intradural VA in 39 (91%) patients. Mean longitudinal extension of VWE after dural entry was 13 mm in the VA and 2 mm in the ICA. In 14 of 39 patients (36%) with proximal intradural VWE, morphology of VWE was suggestive of the mere presence of vasa vasorum. In 25 patients (64 %), morphology indicated atherosclerotic lesions in addition to vasa vasorum. Conclusions Vasa vasorum may account for concentric VWE within the proximal 2 mm of the ICA and 13 mm of the VA after dural entry in elderly subjects. Concentric VWE in these locations should not be confused with large artery vasculitis. Distal to these segments, VWE may be more likely related to pathologic conditions such as vasculitis. KW - vertebral artery KW - magnetic resonance imaging KW - vasa vasorum KW - large artery vasculitis KW - Atherosclerosis, intracranial arteries Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266524 SN - 1432-1084 VL - 32 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Graetz [geb. Dittmann], Jonas T1 - X-Ray Dark-Field Tensor Tomography : a Hitchhiker's Guide to Tomographic Reconstruction and Talbot Imaging T1 - Röntgen-Dunkelfeld-Tensor-Tomographie : ein Handbuch zur Tomographischen Rekonstruktion und Talbot-Bildgebung N2 - X-ray dark-field imaging allows to resolve the conflict between the demand for centimeter scaled fields of view and the spatial resolution required for the characterization of fibrous materials structured on the micrometer scale. It draws on the ability of X-ray Talbot interferometers to provide full field images of a sample's ultra small angle scattering properties, bridging a gap of multiple orders of magnitude between the imaging resolution and the contrasted structure scale. The correspondence between shape anisotropy and oriented scattering thereby allows to infer orientations within a sample's microstructure below the imaging resolution. First demonstrations have shown the general feasibility of doing so in a tomographic fashion, based on various heuristic signal models and reconstruction approaches. Here, both a verified model of the signal anisotropy and a reconstruction technique practicable for general imaging geometries and large tensor valued volumes is developed based on in-depth reviews of dark-field imaging and tomographic reconstruction techniques. To this end, a wide interdisciplinary field of imaging and reconstruction methodologies is revisited. To begin with, a novel introduction to the mathematical description of perspective projections provides essential insights into the relations between the tangible real space properties of cone beam imaging geometries and their technically relevant description in terms of homogeneous coordinates and projection matrices. Based on these fundamentals, a novel auto-calibration approach is developed, facilitating the practical determination of perspective imaging geometries with minimal experimental constraints. A corresponding generalized formulation of the widely employed Feldkamp algorithm is given, allowing fast and flexible volume reconstructions from arbitrary tomographic imaging geometries. Iterative reconstruction techniques are likewise introduced for general projection geometries, with a particular focus on the efficient evaluation of the forward problem associated with tomographic imaging. A highly performant 3D generalization of Joseph's classic linearly interpolating ray casting algorithm is developed to this end and compared to typical alternatives. With regard to the anisotropic imaging modality required for tensor tomography, X-ray dark-field contrast is extensively reviewed. Previous literature is brought into a joint context and nomenclature and supplemented by original work completing a consistent picture of the theory of dark-field origination. Key results are explicitly validated by experimental data with a special focus on tomography as well as the properties of anisotropic fibrous scatterers. In order to address the pronounced susceptibility of interferometric images to subtle mechanical imprecisions, an efficient optimization based evaluation strategy for the raw data provided by Talbot interferometers is developed. Finally, the fitness of linear tensor models with respect to the derived anisotropy properties of dark-field contrast is evaluated, and an iterative scheme for the reconstruction of tensor valued volumes from projection images is proposed. The derived methods are efficiently implemented and applied to fiber reinforced plastic samples, imaged at the ID19 imaging beamline of the European Synchrotron Radiation Facility. The results represent unprecedented demonstrations of X-ray dark-field tensor tomography at a field of view of 3-4cm, revealing local fiber orientations of both complex shaped and low-contrast samples at a spatial resolution of 0.1mm in 3D. The results are confirmed by an independent micro CT based fiber analysis. N2 - Die Röntgen-Dunkelfeld-Bildgung vermag den Widerspruch zwischen dem Bedarf nach großen Sichtfeldern im Zentimeterbereich und der nötigen Bildauflösung zur Charakterisierung von Fasermaterialien mit Strukturgrößen im Mikrometerbereich aufzulösen. Sie bedient sich dafür der Eigenschaft von Röntgen-Talbot-Interferometern, Ultrakleinwinkelstreueigenschaften einer Probe vollflächig abzubilden, womit eine Lücke von mehreren Größenordnung zwischen der Bildauflösung und der konstrastgebenden Strukturgröße überbrückt werden kann. Der Zusammenhang zwischen Strukturanisotropie und gerichteter Streuung ermöglicht dabei Rückschlüsse auf die Orientierung der Mikrostruktur einer Probe unterhalb der Bildauflösung. Erste Demonstrationen haben, basiered auf verschiedenen heuristischen Signalmodellen und Rekonstruktrionsansätzen, die grundsätzliche Erweiterbarkeit auf die Volumen-Bildgebung gezeigt. In der vorliegenden Arbeit wird, aufbauend auf einer umfassenden Analyse der Dunkelfeld-Bildgebung und tomographischer Rekonstruktionsmethoden, sowohl ein verifiziertes Modell der Signalanisotropie als auch eine Rekonstruktionstechnik entwickelt, die für große tensorwertige Volumina und allgemeine Abbildungsgeometrien praktikabel ist. In diesem Sinne wird ein weites interdisziplinäres Feld von Bildgebungs- und Rekonstruktionsmethoden aufgearbeitet. Zunächst werden anhand einer neuen Einführung in die mathematische Beschreibung perspektivischer Projektionen essenzielle Einsichten in die Zusammenhänge zwischen der greifbaren Realraum-Darstellung der Kegelstrahl-Geometrie und ihrer technisch relevanten Beschreibung mittels homogener Koordinaten und Projektionsmatrizen gegeben. Aufbauend auf diesen Grundlagen wird eine neue Methode zur Auto-Kalibration entwickelt, die die praktische Bestimmung von perspektivischen Abbildungsgeometrien unter minimalen Anforderungen an die experimentelle Ausführung ermöglicht. Passend dazu wird eine verallgemeinerte Formulierung des weit verbreiteten Feldkamp-Algorithmus gegeben, um eine schnelle und flexible Volumenrekonstruktion aus beliebigen tomographischen Bildgebungsgeometrien zu ermöglichen. Iterative Rekonstruktionsverfahren werden ebenfalls für allgemeine Aufnahmegeometrien eingeführt, wobei ein Schwerpunkt auf der effizienten Berechnung des mit der tomographischen Bildgebung assoziierten Vorwärtsproblems liegt. Zu diesem Zweck wird eine hochperformante 3D-Erweiterung des klassischen, linear interpolierenden Linienintegrationsalgorithmus von Joseph entwickelt und mit typischen Alternativen verglichen. In Bezug auf die anisotrope Bildmodalität, die die Grundlage der Tensortomographie bildet, wird der Röntgen-Dunkelfeld-Kontrast umfassend besprochen. Die vorhandende Literatur wird dazu in einen gemeinsamen Kontext und eine gemeinsame Nomenklatur gebracht und mit neuen Überlegungen zu einer konsistenten Darstellung der Theorie zur Dunkelfeldsignalentstehung vervollständigt. Zentrale Ergebnisse werden dabei explizit anhand experimenteller Daten verifiziert, wobei besonders die Tomographie und die Eigenschaften anisotroper, faseriger Streuer im Vordergrund stehen. Um die ausgeprägte Empfindlichkeit interferometrischer Bilder auf feinste mechanische Instabilitäten zu kompensieren, wird ein effizientes Optimierungsverfahren zur Auswertung der Rohdaten aus Talbot-Interferometern entwickelt. Schließlich wird die Anwendbarkeit von linearen Tensor-Modellen in Bezug auf die hergeleiteten Anisotropie-Eigenschaften des Dunkelfeld-Kontrastes diskutiert, und ein iteratives Verfahren für die Rekonstruktion tensorwertiger Volumen aus Projektionsbildern vorgeschlagen. Die entwickelten Methoden werden effizient implementiert und auf Proben aus faserverstärktem Kunstoff angewandt, die dafür an der Bildgebungs-Strahllinie ID19 des Europäischen Synchrotrons ESRF abgebildet wurden. Die Ergebnisse stellen eine bisher einmalige Demonstration von Röntgen-Dunkelfeld-Tensor-Tomographie mit einem Sichtfeld von 3-4cm dar, wobei lokale Faserorientierung sowohl für komplex geformte als auch kontrastarme Objekte mit einer räumlichen Auflösung von 0.1mm in 3D dargestellt werden kann. Ein unabhängiger Vergleich mit Mikro-CT basierter Faser-Analyse bestätigt die Ergebnisse. KW - Dreidimensionale Rekonstruktion KW - Tomografie KW - Faserorientierung KW - Tensor KW - Bildgebendes Verfahren KW - X-Ray Dark-Field KW - Tensor Tomography KW - Volume Reconstruction KW - Fiber Orientation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281437 ER - TY - THES A1 - Mika-Gospodorz, Bozena T1 - Development and application of bioinformatics tools for analysis of dual RNA-seq experiments T1 - Entwicklung und Anwendung von Bioinformatikwerkzeugen für die Analyse von dualen RNA-seq Experimenten N2 - Dual RNA-seq captures both host and pathogen transcriptomes at the site of infection, facilitating an exploration of processes that play an essential role in pathogenesis and the host defense. This work presents an application of this technique to explore processes occurring during the infection of the human endothelial cells with two clinical isolates of Orientia tsutsugamushi (Ot) — the causative agent of scrub typhus. Combining comparative genomics, transcriptomics, and proteomics, we investigated the transcriptional architecture of Ot and identified non-coding RNAs, operon structures, and widespread antisense transcription, that may have a role in regulation of repetitive genes that are abundant in the Ot genome. In addition, the comparative analysis of bacterial and eukaryotic transcriptomes allowed us to investigate factors that drive the difference in virulence between Karp and UT176 and the host response to these two Ot strains. The host and pathogen transcriptional profiles in each dual RNA-seq study are obtained in‑silico by adopting tools developed for RNA-seq data analysis. The Dualrnaseq pipeline presented in the second part of this work is the first publicly available, highly reproducible, scalable, and user‑friendly workflow developed for processing dual RNA‑seq data of any eukaryotic and bacterial organisms with a reference genome and annotation. It provides three mapping and quantification strategies: (i) alignment-based mapping of reads onto the chimeric genome with STAR followed by counting of uniquely mapped reads with HTSeq; (ii) a fast transcriptome quantification method handling multi‑mapped reads (Salmon with Selective Alignment); (iii) and Salmon alignment-based mode which uses a STAR‑derived alignment combined with Salmon quantification. Performing an initial benchmark analysis of the employed methods we provided recommendations ensuring accurate estimation of host and pathogen transcript expression. N2 - Duale RNA-seq erfasst sowohl das Transkriptom des Wirts als auch das des Erregers am Ort der Infektion und ermöglicht so die Erforschung von Prozessen, die eine wesentliche Rolle bei der Pathogenese und der Abwehr des Wirts spielen. In dieser Arbeit wird eine Anwendung dieser Technik zur Untersuchung von Prozessen vorgestellt, die während der Infektion menschlicher Endothelzellen mit zwei klinischen Isolaten von Orientia tsutsugamushi (Ot) - dem Erreger von Scrub-Typhus - ablaufen. Durch die Kombination von vergleichender Genomik, Transkriptomik und Proteomik untersuchten wir die Transkriptionsarchitektur von Ot und identifizierten nicht-kodierende RNAs, Operon-Strukturen und weit verbreitete Antisense-Transkription, die möglicherweise eine Rolle bei der Regulierung repetitiver Gene spielen, die im Ot-Genom reichlich vorhanden sind. Darüber hinaus ermöglichte uns die vergleichende Analyse der bakteriellen und eukaryotischen Transkriptome die Untersuchung der Faktoren, die für die unterschiedliche Virulenz von Karp und UT176 und die Reaktion des Wirts auf diese beiden Ot-Stämme verantwortlich sind. Die Wirts- und Erreger-Transkriptionsprofile in jeder dualen RNA-seq-Studie werden in-silico mit Hilfe von Tools erstellt, die für die RNA-seq-Datenanalyse entwickelt wurden. Die im zweiten Teil dieser Arbeit vorgestellte Dualrnaseq-Pipeline ist der erste öffentlich verfügbare, hochgradig reproduzierbare, skalierbare und benutzerfreundliche Arbeitsablauf, der für die Verarbeitung dualer RNA-seq-Daten beliebiger eukaryotischer und bakterieller Organismen mit einem Referenzgenom und einer Annotation entwickelt wurde. Er bietet drei Mapping- und Quantifizierungsstrategien: (i) Alignment-basiertes Mapping von Reads auf das chimäre Genom mit STAR, gefolgt von der Zählung eindeutig gemappter Reads mit HTSeq; (ii) eine schnelle Transkriptom-Quantifizierungsmethode, die mit mehrfach gemappten Reads arbeitet (Salmon mit selektivem Alignment); (iii) und einen Salmon-Alignment-basierten Modus. In einer ersten Benchmark-Analyse der verwendeten Methoden haben wir Empfehlungen ausgesprochen, die eine genaue Schätzung der Expression von Wirts- und Pathogentranskripten gewährleisten. KW - Transkriptomanalyse KW - Dual RNA-seq data analysis KW - Orientia tsutsugamushi Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281264 ER - TY - JOUR A1 - Dickson, John A1 - Eberlein, Uta A1 - Lassmann, Michael T1 - The effect of modern PET technology and techniques on the EANM paediatric dosage card JF - European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging N2 - Aim Recent advancements in PET technology have brought with it significant improvements in PET performance and image quality. In particular, the extension of the axial field of view of PET systems, and the introduction of semiconductor technology into the PET detector, initially for PET/MR, and more recently available long-field-of-view PET/CT systems (≥ 25 cm) have brought a step change improvement in the sensitivity of PET scanners. Given the requirement to limit paediatric doses, this increase in sensitivity is extremely welcome for the imaging of children and young people. This is even more relevant with PET/MR, where the lack of CT exposures brings further dose reduction benefits to this population. In this short article, we give some details around the benefits around new PET technology including PET/MR and its implications on the EANM paediatric dosage card. Material and methods Reflecting on EANM adult guidance on injected activities, and making reference to bed overlap and the concept of MBq.min bed\(^{-1}\) kg\(^{-1}\), we use published data on image quality from PET/MR systems to update the paediatric dosage card for PET/MR and extended axial field of view (≥ 25 cm) PET/CT systems. However, this communication does not cover the expansion of paediatric dosing for the half-body and total-body scanners that have recently come to market. Results In analogy to the existing EANM dosage card, new parameters for the EANM paediatric dosage card were developed (class B, baseline value: 10.7 MBq, minimum recommended activity 10 MBq). The recommended administered activities for the systems considered in this communication range from 11 MBq [\(^{18}\)F]FDG for a child with a weight of 3 kg to 149 MBq [\(^{18}\)F]FDG for a paediatric patient weight of 68 kg, assuming a scan of 3 min per bed position. The mean effective dose over all ages (1 year and older) is 2.85 mSv. Conclusion With this, recommendations for paediatric dosing are given for systems that have not been considered previously. KW - PET KW - PET/MR systems KW - EANM dosage card Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265624 SN - 1619-7089 VL - 49 IS - 6 ER - TY - JOUR A1 - Wunder, Juliane A1 - Pemp, Daniela A1 - Cecil, Alexander A1 - Mahdiani, Maryam A1 - Hauptstein, René A1 - Schmalbach, Katja A1 - Geppert, Leo N. A1 - Ickstadt, Katja A1 - Esch, Harald L. A1 - Dankekar, Thomas A1 - Lehmann, Leane T1 - Influence of breast cancer risk factors on proliferation and DNA damage in human breast glandular tissues: role of intracellular estrogen levels, oxidative stress and estrogen biotransformation JF - Archives of Toxicology N2 - Breast cancer etiology is associated with both proliferation and DNA damage induced by estrogens. Breast cancer risk factors (BCRF) such as body mass index (BMI), smoking, and intake of estrogen-active drugs were recently shown to influence intratissue estrogen levels. Thus, the aim of the present study was to investigate the influence of BCRF on estrogen-induced proliferation and DNA damage in 41 well-characterized breast glandular tissues derived from women without breast cancer. Influence of intramammary estrogen levels and BCRF on estrogen receptor (ESR) activation, ESR-related proliferation (indicated by levels of marker transcripts), oxidative stress (indicated by levels of GCLC transcript and oxidative derivatives of cholesterol), and levels of transcripts encoding enzymes involved in estrogen biotransformation was identified by multiple linear regression models. Metabolic fluxes to adducts of estrogens with DNA (E-DNA) were assessed by a metabolic network model (MNM) which was validated by comparison of calculated fluxes with data on methoxylated and glucuronidated estrogens determined by GC- and UHPLC-MS/MS. Intratissue estrogen levels significantly influenced ESR activation and fluxes to E-DNA within the MNM. Likewise, all BCRF directly and/or indirectly influenced ESR activation, proliferation, and key flux constraints influencing E-DNA (i.e., levels of estrogens, CYP1B1, SULT1A1, SULT1A2, and GSTP1). However, no unambiguous total effect of BCRF on proliferation became apparent. Furthermore, BMI was the only BCRF to indeed influence fluxes to E-DNA (via congruent adverse influence on levels of estrogens, CYP1B1 and SULT1A2). KW - metabolic network model KW - estrogens KW - human breast KW - multiple linear regression Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265343 SN - 1432-0738 VL - 96 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Dirscherl, Mariel Christina T1 - Remote Sensing of Supraglacial Lake Dynamics in Antarctica - Exploiting Methods from Artificial Intelligence for Derivation of Antarctic Supraglacial Lake Extents in Multi-Sensor Remote Sensing Data T1 - Fernerkundung der Dynamik supraglazialer Seen in der Antarktis - Analyse von supraglazialen Seen in Multi-Sensor Fernerkundungsdaten mittels Methoden der Künstlichen Intelligenz N2 - With accelerating global climate change, the Antarctic Ice Sheet is exposed to increasing ice dynamic change. During 1992 and 2017, Antarctica contributed ~7.6 mm to global sea-level-rise mainly due to ocean thermal forcing along West Antarctica and atmospheric warming along the Antarctic Peninsula (API). Together, these processes caused the progressive retreat of glaciers and ice shelves and weakened their efficient buttressing force causing widespread ice flow accelerations. Holding ~91% of the global ice mass and 57.3 m of sea-level-equivalent, the Antarctic Ice Sheet is by far the largest potential contributor to future sea-level-rise. Despite the improved understanding of Antarctic ice dynamics, the future of Antarctica remains difficult to predict with its contribution to global sea-level-rise representing the largest uncertainty in current projections. Given that recent studies point towards atmospheric warming and melt intensification to become a dominant driver for future Antarctic ice mass loss, the monitoring of supraglacial lakes and their impacts on ice dynamics is of utmost importance. In this regard, recent progress in Earth Observation provides an abundance of high-resolution optical and Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite data at unprecedented spatial and temporal coverage and greatly supports the monitoring of the Antarctic continent where ground-based mapping efforts are difficult to perform. As an automated mapping technique for supraglacial lake extent delineation in optical and SAR satellite imagery as well as a pan-Antarctic inventory of Antarctic supraglacial lakes at high spatial and temporal resolution is entirely missing, this thesis aims to advance the understanding of Antarctic surface hydrology through exploitation of spaceborne remote sensing. In particular, a detailed literature review on spaceborne remote sensing of Antarctic supraglacial lakes identified several research gaps including the lack of (1) an automated mapping technique for optical or SAR satellite data that is transferable in space and time, (2) high-resolution supraglacial lake extent mappings at intra-annual and inter-annual temporal resolution and (3) large-scale mapping efforts across the entire Antarctic continent. In addition, past method developments were found to be restricted to purely visual, manual or semi-automated mapping techniques hindering their application to multi-temporal satellite imagery at large-scale. In this context, the development of automated mapping techniques was mainly limited by sensor-specific characteristics including the similar appearance of supraglacial lakes and other ice sheet surface features in optical or SAR data, the varying temporal signature of supraglacial lakes throughout the year as well as effects such as speckle noise and wind roughening in SAR data or cloud coverage in optical data. To overcome these limitations, this thesis exploits methods from artificial intelligence and big data processing for development of an automated processing chain for supraglacial lake extent delineation in Sentinel-1 SAR and optical Sentinel-2 satellite imagery. The combination of both sensor types enabled to capture both surface and subsurface lakes as well as to acquire data during cloud cover or wind roughening of lakes. For Sentinel-1, a deep convolutional neural network based on residual U-Net was trained on the basis of 21,200 labeled Sentinel-1 SAR image patches covering 13 Antarctic regions. Similarly, optical Sentinel-2 data were collected over 14 Antarctic regions and used for training of a Random Forest classifier. Optical and SAR classification products were combined through decision-level fusion at bi-weekly temporal scale and unprecedented 10 m spatial resolution. Finally, the method was implemented as part of DLR’s High-Performance Computing infrastructure allowing for an automated processing of large amounts of data including all required pre- and postprocessing steps. The results of an accuracy assessment over independent test scenes highlighted the functionality of the classifiers returning accuracies of 93% and 95% for supraglacial lakes in Sentinel-1 and Sentinel-2 satellite imagery, respectively. Exploiting the full archive of Sentinel-1 and Sentinel-2, the developed framework for the first time enabled the monitoring of seasonal characteristics of Antarctic supraglacial lakes over six major ice shelves in 2015-2021. In particular, the results for API ice shelves revealed low lake coverage during 2015-2018 and particularly high lake coverage during the 2019-2020 and 2020-2021 melting seasons. On the contrary, East Antarctic ice shelves were characterized by high lake coverage during 2016-2019 and extremely low lake coverage during the 2020-2021 melting season. Over all six investigated ice shelves, the development of drainage systems was revealed highlighting an increased risk for ice shelf instability. Through statistical correlation analysis with climate data at varying time lags as well as annual data on Southern Hemisphere atmospheric modes, environmental drivers for meltwater ponding were revealed. In addition, the influence of the local glaciological setting was investigated through computation of annual recurrence times of lakes. Over both ice sheet regions, the complex interplay between local, regional and large-scale environmental drivers was found to control supraglacial lake formation despite local to regional discrepancies, as revealed through pixel-based correlation analysis. Local control factors included the ice surface topography, the ice shelf geometry, the presence of low-albedo features as well as a reduced firn air content and were found to exert strong control on lake distribution. On the other hand, regional controls on lake evolution were revealed to be the amount of incoming solar radiation, air temperature and wind occurrence. While foehn winds were found to dictate lake evolution over the API, katabatic winds influenced lake ponding in East Antarctica. Furthermore, the regional near-surface climate was shown to be driven by large-scale atmospheric modes and teleconnections with the tropics. Overall, the results highlight that similar driving factors control supraglacial lake formation on the API and EAIS pointing towards their transferability to other Antarctic regions. N2 - Der antarktische Eisschild erfährt angesichts der globalen Erderwärmung zunehmende eisdynamische Veränderungen. Zwischen 1992 und 2017 trug die Antarktis mit ~7.6 mm zum globalen Meeresspiegelanstieg bei, was vor allem auf die Erwärmung des Ozeans entlang der Westantarktis und die Erwärmung der Atmosphäre entlang der Antarktischen Halbinsel zurückzuführen ist. Zusammen verursachten diese Prozesse den fortschreitenden Rückgang von Gletschern und Schelfeis und schwächten ihren Rückhalteeffekt. Mit einem Anteil von ~91% an der globalen Eismasse und einem Meeresspiegeläquivalent von 57.3 m ist der antarktische Eisschild der größte potentielle Verursacher eines zukünftigen Meeresspiegelanstiegs. Trotz des verbesserten Verständnisses der antarktischen Eisdynamik kann die Zukunft der Antarktis nur schwer vorhergesagt werden. In Anbetracht der Tatsache, dass die Erwärmung der Atmosphäre und die damit einhergehende Oberflächenschmelze eine der Hauptursachen für künftige Massenverluste der Antarktis sein werden, ist die Kartierung von supraglazialen Seen von größter Bedeutung und Wichtigkeit. In dieser Hinsicht liefert die Erdbeobachtung eine Vielzahl von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Satellitendaten für das Monitoring der Antarktis. Da eine automatisierte Methode zur Kartierung von supraglazialen Seen in Satellitendaten sowie ein großräumiges Inventar gänzlich fehlen, ist das Ziel dieser Arbeit zu einem besseren Verständnis der antarktischen Oberflächenhydrologie beizutragen. Zu diesem Zweck wurde ein neuartiges Prozessierungsverfahren für die automatisierte Kartierung von supraglazialen Seen in Sentinel-1 und Sentinel-2 Satellitenbilddaten entwickelt. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche in Bezug auf die satellitengestützte Fernerkundung von antarktischen supraglazialen Seen wurden mehrere Forschungslücken identifiziert, darunter das Fehlen von (1) einem automatisierten Klassifikationsalgorithmus für optische und Radar Satellitendaten, der in Raum und Zeit übertragbar ist, (2) hochaufgelösten Kartierungen von supraglazialen Seen mit jährlicher sowie saisonaler zeitlicher Auflösung und (3) großräumigen Kartierungen über der gesamten Antarktis. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich vergangene Methodenentwicklungen auf eine rein visuelle, manuelle oder halbautomatisierte Kartierungstechnik stützten, was ihre Anwendung auf multitemporale Satellitenbilder über dem gesamten Kontinent verhinderte. Die Entwicklung einer automatisierten Kartierungsmethode wurde hierbei vor allem durch sensorspezifische Merkmale eingeschränkt, darunter das ähnliche Erscheinungsbild von supraglazialen Seen und anderen Landbedeckungsklassen in optischen oder Radar Daten, die variierende zeitliche Signatur von supraglazialen Seen sowie Effekte wie SpeckleRauschen oder die Windaufrauhung von Seen in Radar Daten. Um diese Limitierungen zu überwinden, basiert der entwickelte Algorithmus zur automatisierten Kartierung von supraglazialen Seen in optischen and Radar Satellitendaten auf Methoden der künstlichen Intelligenz und der Big-Data-Analytik. Die Kombination von beiden Sensortypen ermöglicht es, sowohl supraglaziale als auch mit Schnee bedeckte Seen zu erfassen. Für Sentinel-1 wurde ein neuronales Netzwerk basierend auf „residual U-Net“ mittels 21,200 Radaraufnahmen über 13 antarktischen Regionen trainiert. In ähnlicher Weise wurden optische Sentinel-2 Daten über 14 antarktischen Regionen gesammelt und zum Trainieren eines „Random Forest“ Klassifikators verwendet. Die beiden Methoden wurden durch die Fusion von optischen und Radar Klassifikationsergebnissen kombiniert und als Teil der DLR-internen Prozessierungs-Infrastruktur auf Hochleistungsrechnern implementiert, die eine vollautomatische Verarbeitung großer Datenmengen einschließlich aller erforderlichen Vor- und Nachverarbeitungsschritte ermöglichen. Eine Fehleranalyse über unabhängigen Testszenen zeigte die Funktionalität der Algorithmen, die Genauigkeiten von 93% bzw. 95% für supraglaziale Seen in Sentinel-1 und Sentinel-2 Daten erreichten. Unter Nutzung des gesamten Archivs an Sentinel-1 und Sentinel-2 Daten im Zeitraum 2015-2021 ermöglichte die entwickelte Prozessierungs-Kette erstmals die Erfassung von saisonalen Merkmalen supraglazialer Seen über sechs großen SchelfeisRegionen. Die Ergebnisse für die Antarktische Halbinsel zeigten ein geringes Auftreten von supraglazialen Seen im Zeitraum 2015-2018 und ein stark erhöhtes Auftreten von supraglazialen Seen während der Schmelzsaison 2019-2020 und 2020-2021. Im Gegensatz dazu war die Ostantarktis durch ein stark erhöhtes Auftreten von supraglazialen Seen in den Jahren 2016-2019 sowie ein stark reduziertes Auftreten von supraglazialen Seen während der Schmelzsaison 2020-2021 gekennzeichnet. Über beiden Regionen entwickelten sich ausgeprägte Seen-Netzwerke, die ein erhöhtes Risiko für die Stabilität von Schelfeis darstellen. Durch statistische Korrelationsanalysen mit saisonalen Klimadaten sowie jährlichen Daten zu atmosphärischen Modi wurden Umwelteinflüsse auf die Entstehung von Seen analysiert. In beiden antarktischen Regionen wurde festgestellt, dass das komplexe Zusammenspiel von lokalen, regionalen und großräumigen Umweltfaktoren die Entstehung von supraglazialen Seen begünstigt. Zu den lokalen Einflussfaktoren gehören die Topographie, die Schelfeisgeometrie, das Vorhandensein von Oberflächen mit geringer Albedo sowie ein reduzierter Luftgehalt im Firn. Andererseits wurde festgestellt, dass die Sonneneinstrahlung, die Lufttemperatur und Wind die Entstehung von Seen regional beeinflussen. Während Föhnwinde über der Antarktischen Halbinsel auftreten, dominieren katabatische Winde in der Ostantarktis. Darüber hinaus wurde verdeutlicht, dass das regionale Klima von atmosphärischen Modi beeinflusst wird. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass ähnliche Umweltfaktoren die Entstehung von supraglazialen Seen über beiden Regionen steuern, was Rückschlüsse auf ihre Übertragbarkeit in andere antarktische Regionen zulässt. KW - Optische Fernerkundung KW - Radarfernerkundung KW - Antarktis KW - Gletscher KW - Fernerkundung KW - Supraglaziale Seen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-279505 ER - TY - THES A1 - Karch, Katharina T1 - Mapping and Neutralization of Antibodies against Neurofascin, Contactin 1, Contactin associated protein 1 and Cortactin T1 - Kartierung und Neutralisation von Antikörpern gegen Neurofascin, Contactin 1, Contactin assoziiertes Protein 1 und Cortactin N2 - Immune-mediated polyneuropathies like chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy or Guillain-Barré syndrome are rare diseases of the peripheral nervous system. A subgroup of patients harbors autoantibodies against nodal or paranodal antigens, associated with a distinct phenotype and treatment response. In a part of patients with pathologic paranodal or nodal immunoreactivity the autoantigens remain difficult or impossible to determine owing to limitations of the used detection approach - usually ELISAs (enzyme-linked-immunosorbent-assays) - and incomplete knowledge of the possible autoantigens. Due to their high-throughput, low sample consumption and high sensitivity as well as the possibility to display many putative nodal and paranodal autoantigens simultaneously, peptide microarray-based approaches are prime candidates for the discovery of novel autoantigens, point-of-care diagnostics and, in addition, monitoring of pathologic autoimmune response. Current applications of peptide microarrays are however limited by high false-positive rates and the associated need for detailed follow-up studies and validation. Here, robust peptide microarray-based detection of antibodies and the efficient validation of binding signals by on-chip neutralization is demonstrated. First, autoantigens were displayed as overlapping peptide libraries in microarray format. Copies of the biochips were used for the fine mapping of antibody epitopes. Next, binding signals were validated by antibody neutralization in solution. Since neutralizing peptides are obtained in the process of microarray fabrications, neither throughput nor costs are significantly altered. Similar in-situ validation approaches could contribute to future autoantibody characterization and detection methods as well as to therapeutic research. Areas of application could be expanded to any autoimmune-mediated neurological disease as a long-term vision. N2 - Immunvermittelte Polyneuropathien wie die chronisch-inflammatorische demyelinisierende Polyradikuloneuropathie oder das Guillain-Barré-Syndrom sind seltene Erkrankungen des peripheren Nervensystems. Bei einem Teil dieser Patienten lassen sich Autoantikörper gegen nodale oder paranodale Antigene nachweisen, was mit einem bestimmten Phänotyp und Therapienansprechen assoziiert ist. Aufgrund der Einschränkungen verwendeter Detektionsansätze – üblicherweise ELISAs (Enzyme-linked Immunosorbent Assays) – sowie der unvollständigen Kenntnis potenzieller Autoantigene bleibt es bisher zum Teil schwierig bis unmöglich bei nachgewiesener pathologischer paranodaler bzw. nodaler Immunreaktivität die entsprechenden Autoantigene zu identifizieren. Die hohe Durchsatzleistung, der geringe Verbrauch an Probenmaterial, die hohe Sensitivität sowie die Möglichkeit zahlreiche mutmaßliche nodale und paranodale Autoantigene zeitgleich darzustellen machen Peptid-Microarray-basierte Ansätze zu wesentlichen Kandidaten für die Entdeckung neuer Autoantigene, für Point-of-Care-Diagnostik und darüber hinaus für das Monitoring pathologischer Autoimmunantworten. Durch die hohe Rate falsch positiver Ergebnisse sowie die damit verbundene Notwendigkeit detaillierter Folgestudien und Validierungen sind die gegenwärtigen Anwendungen von Peptid-Microarrays jedoch limitiert. In dieser Arbeit wird eine robuste, Peptid-Microarray-basierte Detektion von Antikörpern sowie eine effiziente Validierung der Bindungssignale mittels On-chip Neutralisation demonstriert. Zuerst wurden die Autoantigene als überlappende Peptidbüchereien im Microarray-Format dargestellt. Kopien der Biochips wurden für die Feinkartierung der Antikörper-Epitope verwendet. Mittels Antikörperneutralisation in Lösung wurden die Bindungssignale anschließend validiert. Da die neutralisierenden Peptide im Microarray- Herstellungsprozess gewonnen werden, ergeben sich weder beim Durchsatz noch bei den Kosten signifikante Änderungen. Vergleichbare In-situ-Validierungsansätze könnten zu künftigen Autoantikörper Charakterisierungen, Detektionsmethoden sowie zu therapeutischen Forschungsansätzen beitragen. Als langfristige Vision könnten die Anwendungsgebiete auf jede beliebige autoimmun-vermittelte neurologische Krankheit ausgeweitet werden. KW - Microarray KW - Antikörper KW - Autoantigen KW - Epitop KW - Neutralisation KW - antibody KW - autoantigen KW - epitope KW - neutralization KW - fine-mapping KW - Neurofascin KW - Contactin 1 KW - Caspr1 KW - Cortactin Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-280223 ER - TY - THES A1 - Kawohl, Alexander T1 - The Petrology and Geochemistry of Igneous Dykes above the Temagami Anomaly (Ontario, Canada) and their Relationship to the 1.85 Ga Sudbury Impact T1 - Die Petrologie und Geochemie magmatischer Gänge über der Temagami Anomaly (Ontario, Kanada) und ihre Beziehung zum 1,85 Ga Sudbury Impakt N2 - The area northeast of Sudbury, Ontario, is known for one of the largest unexplained geophysical anomalies on the Canadian Shield, the 1,200 km2 Temagami Anomaly. The geological cause of this regional magnetic, conductive and gravity feature has previously been modelled to be a mafic-ultramafic body at relatively great depth (2–15 km) of unknown age and origin, which may or may not be related to the meteorite impact-generated Sudbury Igneous Complex in its immediate vicinity. However, with a profound lack of outcrops and drill holes, the geological cause of the anomaly remains elusive, a genetic link to the 1.85 Ga Sudbury impact event purely speculative. In search for any potential surface expression of the deep-seated cause of the Temagami Anomaly, this study provides a first, yet comprehensive petrological and geochemical assessment of exotic igneous dykes recently discovered in outcrops above, and drill cores into, the Temagami Anomaly. Based on cross-cutting field relations, petrographic studies, lithogeochemistry, whole-rock Nd-Sr-Pb isotope systematics, and U-Pb geochronology, it was possible to identify, and distinguish between, at least six different groups of igneous dykes: (i) Calc-alkaline quartz diorite dykes related to the 1.85 Ga Sudbury Igneous Complex (locally termed Offset Dykes); (ii) tholeiitic quartz diabase of the regional 2.22 Ga Nipissing Suite/Senneterre Dyke Swarm; (iii) calc-alkaline quartz diabase of the regional 2.17 Ga Biscotasing Dyke Swarm; (iv) alkaline ultrabasic dykes correlated with the 1.88–1.86 Ga Circum-Superior Large Igneous Province (LIP); and (v) aplitic dykes as well as (vi) a hornblende syenite, the latter two of more ambiguous age and stratigraphic position. The findings presented in this study – the discovery of three new Offset Dykes in particular – offer some unexpected insights into the geology and economic potential of one of the least explored areas of the world-class Sudbury Mining Camp as well as into the nature and distribution of both allochthonous and autochthonous impactites within one of the oldest and largest impact structures known on Earth. Not only do the geometric patterns of dyke (and breccia) distribution reaffirm previous notions of the existence of discrete ring structures in the sense of a ~200-km multi-ring basin, but they provide critical constraints as to the pre-erosional thickness and extent of the impact melt sheet, thus helping to identity new areas for Ni-Cu-PGE exploration. Furthermore, this study provides important insights into the pre-impact stratigraphy and the magmatic evolution of the region in general, which reveals to be much more complex, compositionally divers, and protracted than initially assumed. Of note is the discovery of rocks related to the 2.17 Ga Biscotasing and the 1.88–1.86 Ga Circum-Superior magmatic events, as these were not previously known to occur on the southeast margin of the Superior Craton. Shortly predating the Sudbury impact and being contemporaneous with ore-forming events at Thompson (Manitoba) and Raglan (Cape Smith), these magmatic rocks could provide the missing link between unusual mafic, pre-enriched, crustal target rocks, and the unique metal endowment of the Sudbury Impact Structure. The actual geological cause of the Temagami Anomaly remains open to debate and requires the downward extension of existing bore holes as well as more detailed geophysical investigations. The hypothesis of a genetic relationship between Sudbury impact event and Temagami Anomaly is neither borne out by any evidence nor particularly realistic, even in case of an oblique impact, and should thus be abandoned. It is instead proposed, based on circumstantial evidence, that the anomaly might be explained by an ultramafic complex of the 1.88–1.86 Ga Circum-Superior LIP. N2 - Das Gebiet nordöstlich von Sudbury, Ontario, ist bekannt für eine der größten unerklärten geophysikalischen Anomalien auf dem Kanadischen Schild, die 1.200 km2 große Temagami Anomalie. Die geologische Ursache dieser regionalen magnetischen, konduktiven und Schwere-Anomalie wurde bisweilen als ein mafisch-ultramafischer Körper in relativ großer Tiefe (2–15 km) unbekannten Alters und Ursprungs modelliert, der womöglich mit dem durch einen Impakt entstandenen Sudbury Igneous Complex in dessen unmittelbarer Nachbarschaft verwandt sein könnte. Da es jedoch an Aufschlüssen und Tiefbohrungen grundlegend mangelt, bleibt die geologische Ursache dieser Anomalie unklar, eine genetische Beziehung zum 1,85 Ga Sudbury Impaktereignis rein spekulativ. Auf der Suche nach einer potenziellen Oberflächenmanifestation der tiefliegenden Ursache der Temagami Anomalie liefert diese Studie eine erste und dennoch umfassende petrologische und geochemische Charakterisierung magmatischer Ganggesteine, die erst kürzlich in Aufschlüssen über der Temagami Anomalie, als auch in Bohrkernen, entdeckt wurden. Auf Grundlage von relativen geologischen Altersbeziehungen, petrographischen Untersuchungen, Lithogeochemie, Nd-Sr-Pb Isotopensystematiken sowie U-Pb Geochronologie war es möglich, mindestens sechs Gruppen von magmatischen Gesteinsgängen zu identifizieren und zu unterscheiden: (i) kalk-alkaline Quarz Diorit Gänge, die mit dem 1,85 Ga Sudbury Igneous Complex genetisch verwandt sind (lokal als Offset Dykes bezeichnet); (ii) tholeiitischer Quarz Dolerit der regionalen 2,22 Ga Nipissing Suite/Senneterre Gangschar (iii) kalk-alkaliner Quarz Dolerit der regionalen 2,17 Ga Biscotasing Gangschar; (iv) alkaline ultrabasische Gänge, die sich mit der 1,88–1,86 Ga Circum-Superior Large Igneous Province (LIP) korrelieren lassen; und (v) aplitische Gänge sowie ein (vi) Hornblende Syenit, beide von nach wie vor unklarem Alter und unklarer Zugehörigkeit. Die in dieser Studie vorgestellten Ergebnisse – insbesondere die Entdeckung drei neuer Offset Dykes – bieten einige unerwartete Einblicke in die Geologie und das wirtschaftliche Potenzial eines der am wenigsten erforschten Gebiete des Sudbury Bergbaudistriktes sowie in die Beschaffenheit und Verteilung sowohl allochthoner als auch autochthoner Impaktgesteine innerhalb einer der größten und ältesten bekannten terrestrischen Impaktstrukturen. Die geometrischen Muster der Gang (und Brekzien-) Verteilung bestätigen nicht nur frühere Vorstellungen von der Existenz diskreter Ringstrukturen im Sinne eines ~200 km großen Multiringbeckens, sondern liefern auch Erkenntnisse über die ursprüngliche Mächtigkeit und Ausbreitung der Impaktschmelze, was unter anderem zur Identifizierung neuer potenzieller Gebiete für die Ni-Cu-PGE Exploration beiträgt. Darüber hinaus liefert diese Studie wichtige Einblicke in die Stratigraphie des Einschlagsgebietes und die magmatische Entwicklung der Region im Allgemeinen, welche sich als viel komplexer, in der Zusammensetzung vielfältiger, und zeitlich ausgedehnter erweist als ursprünglich angenommen. Hervorzuheben ist hierbei die Entdeckung von Gesteinen, die mit dem 2,17 Ga Biscotasing und dem 1,88–1,86 Circum-Superior Magmatismus in Verbindung stehen, da solche Gesteine bisher nicht am südöstlichen Rand des Superior Kratons bekannt waren. Diese Ereignisse, die kurz vor dem Sudbury Impakt und zeitgleich mit Erz-bildendem Magmatismus nahe Thompson (Manitoba) und Raglan (Cape Smith, Quebec) stattfanden, könnten das fehlende Bindeglied zwischen ungewöhnlich mafischen, vorangereicherten krustalen Zielgesteinen einerseits, und der einzigartigen Metallausstattung der Sudbury Impaktstruktur andererseits, darstellen. Die tatsächliche geologische Ursache der Temagami Anomalie bleibt nach wie vor ungeklärt und erfordert letztlich die Erweiterung bestehender Bohrlöcher sowie detailliertere geophysikalische Untersuchungen. Die Hypothese eines genetischen Zusammenhangs zwischen Sudbury Impakt und Temagami Anomalie kann weder durch Beweise gestützt werden noch gilt sie als besonders realistisch, selbst im Falle eines obliquen Einschlags, und sollte daher verworfen werden. Stattdessen wird auf der Grundlage von Indizienbeweisen vorgeschlagen, dass die Temagami Anomalie durch einen ultramafischen Komplex der 1,88–1,86 Ga Circum-Superior LIP verursacht wird. KW - Impaktstruktur KW - Magmatismus KW - Altproterozoikum KW - Lake Timagami KW - Greater Sudbury KW - Palaeoproterozoic KW - Southern Province KW - Huronian Basin KW - Sudbury Igneous Complex KW - Offset Dykes KW - Impact melts KW - Geophysical anomaly KW - PGE-Cu-Ni KW - District of Sudbury Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-279617 ER - TY - THES A1 - Müller, Stefan T1 - Coherent Multiple-Quantum Multidimensional Fluorescence Spectroscopy T1 - Kohärente multidimensionale Multiquanten-Fluoreszenzspektroskopie N2 - This thesis describes novel concepts for the measurement of the static and dynamic properties of the electronic structure of molecules and nanocrystals in the liquid phase by means of coherent fluorescence-detected spectroscopy in two and three frequency dimensions. These concepts are based on the systematic variation ("phase cycling") of a sequence of multiple time-delayed femtosecond excitation pulses in order to decode a multitude of novel nonlinear signals from the resulting phase-dependent fluorescence signal. These signals represent any permutation of correlations between zero-, one-, two-, and three-quantum coherences. To this end, two new phase-cycling schemes have been developed which can simultaneously resolve and discriminate several nonlinear signals of sixth order, including those of the fourth order of nonlinearity. By means of the sixth-order signals recorded in this work, static properties of highly excited electronic states in molecules such as their energies, transition dipole moments, and relative displacement of electronic potential surfaces, as well as dynamic properties in terms of their relaxation kinetics, can be ascertained. Furthermore, it was shown that these signals are suitable for the characterization of exciton-exciton correlations in colloidal quantum dots and for the measurement of ultrafast exciton-exciton annihilation in molecular aggregates. The experiments performed in this thesis mark an important step towards the complete characterization of the nonlinear response of quantum systems. In view of this, the concept of fluorescence-detected multiple-quantum coherence multidimensional spectroscopy introduced here offers a unified, systematic approach. In virtue of the technical advantages such as the use of a single excitation beam and the absence of nonresonant contributions, the measurement protocols developed here can be directly transferred to other incoherent observables and to sample systems in other states of matter. Furthermore, the approaches presented here can be systematically extended to higher frequency dimensions and higher orders of nonlinearity. N2 - Diese Arbeit beschreibt neuartige Konzepte zur Messung der statischen und dynamischen Eigenschaften der elektronischen Stuktur von Molekülen und Nanokristallen in der flüssigen Phase mittels kohärenter Fluoreszenz-detektierter Spektroskopie in zwei und drei Frequenzdimensionen. Diese Konzepte beruhen auf der systematischen Phasenvariation ("Phase Cycling") einer Sequenz mehrerer zeitverzögerter Femtosekunden-Anregepulse, um aus dem resultierenden phasenabhängigen Fluoreszenzsignal eine Vielzahl von neuartigen nichtlinearen Signalen zu dekodieren. Diese Signale stellen jegliche Permutationen von Korrelationen zwischen Null-, Ein-, Zwei- und Drei-Quantenkohärenzen dar. Hierzu wurden zwei neue Phase-Cycling Schemata entwickelt, welche gleichzeitig mehrere nichtlineare Signale der sechsten Ordnung auflösen und voneinander unterscheiden können, inklusive der Signale der vierten nichtlinearen Ordnung. Mit den in dieser Arbeit aufgenommenen Signalen der sechsten Ordnung können statische Eigenschaften hoch-angeregter elektronischer Zustände in Molekülen wie deren Energien, Übergangsdipolmomente, relative Verschiebung elektronischer Potentialflächen zueinander, sowie dynamische Eigenschaften in Bezug auf deren Relaxationskinetik ermittelt werden. Ferner wurde gezeigt, dass diese Signale zur Charakterisierung von Exziton-Exziton-Korrelationen in kolloidalen Quantenpunkten sowie zur Messung ultraschneller Exziton-Exziton-Annihilierung in molekularen Aggregaten geeignet sind. Die Experimente dieser Arbeit markieren einen wichtigen Schritt in Richtung der vollständigen Charakterisierung der nichtlinearen Antwort von Quantensystemen. Das hier eingeführte Konzept der Fluoreszenz-detektierten multidimensionalen Multiquantenkohärenz-Spektroskopie bietet hierfür einen vereinheitlichten, systematischen Ansatz. In Hinblick auf technische Vorteile wie der Verwendung eines einzigen Anregestrahls und der Abwesenheit von nichtresonanten Beiträgen lassen sich die hier entwickelten Messprotokolle direkt auf andere inkohärente Observablen und auf Probesysteme in anderen Aggregatszuständen übertragen. Ferner lassen sich die vorgestellten Ansätze systematisch auf höhere Frequenzdimensionen und nichtlineare Ordnungen erweitern. KW - Coherent Multidimensional Spectroscopy KW - Ultrakurzzeitspektroskopie KW - Angeregter Zustand KW - Kohärente Anregung KW - Electronic spectroscopy KW - Time-resolved spectroscopy KW - Laser pulse shaping KW - Phase cycling KW - High-excited electronic states KW - Elektronische Spektroskopie KW - Zeitaufgelöste Spektroskopie KW - Laserimpulsformung KW - Phasenmodulation KW - Hochangeregte elektronische Zustände Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244113 ER - TY - THES A1 - Kuehn, Laura T1 - Earth-Abundant Metal-Catalyzed and Transition Metal-Free Borylation of Aryl Halides T1 - Borylierung von Arylhalogeniden basierend auf kostengünstigen Übergangsmetallkatalysatoren sowie einer übergangsmetallfreien Alternative N2 - The present work focusses on the borylation of aryl halides. The first chapter presents a detailed review about previously reported nickel-catalyzed borylation reactions. The second chapter of the thesis describes, the borylation reaction of C–Cl bonds in aryl chlorides mediated by an NHC-stabilized nickel catalyst. The cyclohexyl substituted NHC Cy2Im was used to synthesize novel Cy2Im-stabilized nickel complexes [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1, [Ni(Cy2Im)2(η2-C2H4)] 2, and [Ni(Cy2Im)2(η2-COE)] 3. An optimized procedure was developed using 5 mol% of the Ni-catalyst, 1.5 equivalents of the boron reagent B2pin2, and 1.5 equivalents of NaOAc as the base in methylcyclohexane at 100 °C. With these optimized conditions, it was shown that a variety of aryl chlorides, containing either electron-withdrawing or -donating groups, were converted to the corresponding aryl boronic esters in yields up to 99% (88% isolated) yield. Mechanistic investigations revealed that the C–Cl oxidative addition product [Ni(Cy2Im)2(Cl)(4-F3C-C6H4)] 11, which has been synthesized and isolated separately, also catalyzes the reaction. Thus, rapid oxidative addition of the C–Cl bond of the aryl chloride to [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1 to yield trans-[Ni(Cy2Im)2(Cl)(Ar)] represents the first step in the catalytic cycle. The rate limiting step in this catalytic cycle is the transmetalation of boron to nickel forming trans-[Ni(Cy2Im)2(Bpin)(Ar)], which was not possible to isolate. The boryl transfer reagent is assumed to be the anionic adduct Na[B2pin2(OAc)]. A final reductive elimination step gives the desired borylated product Ar–Bpin and regenerates [Ni(Cy2Im)2]. In the next chapter the first effective C–Cl bond borylation of aryl chlorides using NHC-stabilized Cu(I)-complexes of the type [Cu(NHC)(Cl)] was developed. The known complexes [Cu(iPr2Im)(Cl)] 15, [Cu(Me2ImMe)(Cl)] 16, and [Cu(Cy2Im)(Cl)] 17, bearing the small alkyl substituted NHCs, were synthesized in good yields by the reaction of copper(I) chloride with the corresponding free NHC at low temperature (-78 °C) in THF. A range of catalysts, bases, solvents, and boron sources were screened to determine the scope and limitations of this reaction. [Cu(Cy2Im)(Cl)] 17 revealed a significantly higher catalytic activity than [Cu(iPr2Im)(Cl)] 15. KOtBu turned out to be the only efficient base for this borylation reaction. Besides methylcyclohexane, toluene was the only solvent that gave the borylated product in moderate yields of 53%. It was shown that a variety of electron-rich and electron-poor aryl chlorides can be converted to the corresponding aryl boronic esters in isolated yields of up to 80%. A mechanism was proposed, in which a Cu-boryl complex [Cu(L)(Bpin)] is formed in the initial step. This is followed by C–B bond formation via σ-bond metathesis with the aryl chloride forming the aryl boronic ester and [Cu(L)(Cl)]. The latter reacts with KOtBu to give [Cu(L)(OtBu)], which regenerates the copper boryl complex by reaction with B2pin2. Chapter 4 describes studies directed towards the transition metal-free borylation of aryl halides using Lewis base adducts of diborane(4) compounds. A variety of novel pyridine and NHC adducts of boron compounds were synthesized. Adducts of the type pyridine·B2cat2 18-19 and NHC·B2(OR)4 20-23 were examined for their ability to transfer a boryl moiety to an aryl iodide. However, only Me2ImMe∙B2pin2 20 was found to be effective. The stoichiometric reaction of 20 with different substituted aryl iodides and bromides in benzene, at elevated temperatures, gave the desired aryl boronic esters in good yields. Interestingly, depending on the reaction temperature, C–C coupling between the aryl halide and the solvent (benzene), was detected leading to a side product which, together with observed hydrodehalogenation of the aryl halide, provided indications that the reaction might be radical in nature. When the boryl transfer reaction based on Me2ImMe∙B2pin2 20 was followed by EPR spectroscopy, a signal (though very weak and ill-defined) was detected, which is suggestive of a mechanism involving a boron-based radical. In addition, the boronium cation [(Me2ImMe)2∙Bpin]+ 37 with iodide as the counterion was isolated from the reaction residue, indicating the fate of the second boryl moiety. A preliminary mechanism for the boryl transfer from 20 to aryl iodides was proposed, which involves an NHC–Bpin˙ radical as the key intermediate. Me2ImMe–Bpin˙ is formed by homolytic B–B bond cleavage of the bis-NHC adduct (Me2ImMe)2∙B2pin2, which is formed in situ in small amounts under the reaction conditions. Me2ImMe–Bpin˙ reacts with the aryl iodide to give the aryl boronic ester with recovery of aromaticity. In the same step, from the second equivalent of NHC–Bpin˙, an NHC-stabilized iodo-Bpin adduct is formed as an intermediate, which is further coordinated by another NHC, yielding [(Me2ImMe)2∙Bpin]+I- 37. N2 - Das erste Kapitel gibt zunächst einen detaillierten Überblick über die Nickel-katalysierte Borylierung. Das zweite Kapitel dieser Arbeit beschreibt die Borylierung von Arylchloriden mithilfe NHC-stabilisierter Nickelkatalysatoren. Dafür wurden zunächst die Nickelkomplexe [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1, [Ni(Cy2Im)2(η2-C2H4)] 2 und [Ni(Cy2Im)2(η2-COE)] 3 dargestellt. Als optimale Bedingungen für die Borylierung haben sich 5 Mol-% des Ni-Katalysators, 1.5 Äquivalente des Borylierungsreagenzes B2pin2 und 1.5 Äquivalente NaOAc als Base in Methylcyclohexan bei 100 °C erwiesen. Unter diesen optimierten Bedingungen lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Arylchloride in die jeweiligen Arylboronsäureester in Ausbeuten von bis zu 99% (88% für die isolierte Verbindung) überführen. Der Komplex [Ni(Cy2Im)2(Cl)(4-F3C-C6H4)] 11, das Produkt der oxidativen Addition von 4-F3C-C6H4-Cl an [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1, katalysiert ebenfalls die Reaktion. Mechanistischen Untersuchungen zufolge, stellt die rasche oxidative Addition der C–Cl-Bindung des Arylchlorids an [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1 unter der Ausbildung von trans-[Ni(Cy2Im)2(Cl)(Ar)], den ersten Schritt des Katalysezykluses dar. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in diesem Katalysezyklus ist die Transmetallierung von Bor zu Nickel unter Bildung von trans-[Ni(Cy2Im)2(Bpin)(Ar)]. Es wird angenommen, dass es sich bei dem Boryltransferreagenz um das anionische Addukt Na[B2pin2(OAc)] handelt. Ein letzter reduktiver Eliminierungsschritt ergibt das gewünschte borylierte Produkt Ar–Bpin unter Rückgewinnung von [Ni(Cy2Im)2]. Im nächsten Kapitel der Arbeit wurde die erste effiziente C–Cl-Borylierung von Arylchloriden entwickelt. Eine Reihe verschiedener Katalysatoren des Typs [Cu(NHC)(Cl)], Basen, Lösungsmitteln und Borylierungsreagenzien wurden untersucht, um die Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen dieser Reaktion zu bestimmen. Der Komplex [Cu(Cy2Im)(Cl)] 17 zeigte dabei eine signifikant höhere katalytische Aktivität als [Cu(iPr2Im)(Cl)] 15. Des Weiteren erwies sich KOtBu als einzige geeignete Base für diese Reaktion und Methylcyclohexan stellte sich als optimales Lösungsmittel heraus. Unter diesen optimierten Bedingungen lassen sich eine Vielzahl, sowohl elektronenreicher als auch elektronenarmer Arylchloride in die entsprechenden Arylboronsäureester in Ausbeuten von bis zu 80% überführen. Ein Mechanismus der Reaktion wurde postuliert, wonach zunächst ein Kupfer-Boryl-Komplex [Cu(L)(Bpin)] gebildet wird. Darauf folgt die Knüpfung einer C–B-Bindung durch eine σ-Bindungsmetathese mit dem Arylchlorid, wobei der gewünschte Arylboronsäureester und [Cu(L)(Cl)] gebildet wird. Im Folgenden reagiert [Cu(L)(Cl)] mit KOtBu zu [Cu(L)(OtBu)], wodurch durch Reaktion mit B2pin2 der Kupfer-Boryl-Komplex regeneriert wird. Kapitel 4 beschreibt Untersuchungen zur übergangsmetallfreien Borylierung von Arylhalogeniden unter Verwendung von Lewis-Basen-Addukten von Diboran(4)-Verbindungen. Die Addukte des Typs Pyridin·B2cat2 18-19 und NHC·B2(OR)4 20-23 wurden weiter auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, eine Boryleinheit auf ein Aryliodid zu übertragen. Ausschließlich Me2ImMe∙B2pin2 20 stellte sich hierbei als wirksam heraus. Die stöchiometrische Reaktion von 20 mit verschiedenartig substituierten Aryliodiden und -bromiden in Benzol bei erhöhten Temperaturen lieferte die gewünschten Arylboronsäureester in guten Ausbeuten. Interessanterweise wurde als Nebenreaktion eine von der Reaktionstemperatur abhängige C–C-Kupplung zwischen dem Arylhalogenid und dem Lösungsmittel (Benzol) beobachtet. Sowohl das C–C-Kupplungsnebenprodukt, als auch eine beobachtete Hydrodehalogenierung des Arylhalogenids deuten darauf hin, dass die Reaktion von radikalischer Natur sein könnte. Die Verfolgung der von Me2ImMe∙B2pin2 20 ausgehenden Boryltransferreaktion mittels ESR-Spektroskopie zeigte ein Signal, was auf einen Mechanismus mit Beteiligung eines Borradikals hinweist. Weitere Untersuchungen ergaben experimentelle Beweise für die Anwesenheit von Radikalen im Verlauf der Reaktion. Des Weiteren wurde das Boroniumkation [(Me2ImMe)2∙Bpin]+ 37 mit Iodid als Gegenion aus dem Reaktionsrückstand isoliert, was den Verbleib der zweiten Boryleinheit erklärt. Ein vorläufiger Mechanismus für den Boryltransfer von Me2ImMe∙B2pin2 20 auf Aryliodide wurde vorgeschlagen, wobei ein NHC–Bpin˙-Radikal als Schlüsselintermediat fungiert. Me2ImMe–Bpin˙ wird durch homolytische Spaltung der B–B-Bindung des Bis-NHC-Addukts (Me2ImMe)2∙B2pin2 gebildet, welches unter den gegebenen Reaktionsbedingungen in geringen Mengen in situ gebildet wird. Me2ImMe–Bpin˙ reagiert mit dem Aryliodid unter Rückgewinnung der Aromatizität zum gewünschten Arylboronsäureester. Im gleichen Schritt wird aus dem zweiten Äquivalent NHC–Bpin˙ ein NHC-stabilisiertes Iod-Bpin-Addukt als Zwischenprodukt gebildet. Dieses wird von einem weiteren NHC unter Bildung von [(Me2ImMe)2∙Bpin]+I- 37 koordiniert. KW - NHC-Nickel-Catalyst KW - NHC-Copper-catalyst KW - Borylation KW - Transition metal-free KW - Aryl Halides KW - Earth-Abundant Metal KW - N-Heterocyclic Carbenes Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211499 ER - TY - THES A1 - Hu, Chen T1 - Novel hybrid hydrogels based on poly(2-oxazoline) T1 - Neuartige Hybrid Hydrogele auf Basis von Poly(2-oxazolin) N2 - Motivated by the great potential offered by the combination of additive manufacturing technology and hydrogels, especially in the field of tissue engineering and regenerative medicine, a series of novel hybrid hydrogel inks were developed based on the recently described thermogelling poly(2-oxazoline)s-block-poly(2-oxazine)s diblock copolymers, which may help to expand the platform of available hydrogel inks for this transformative 3D printing technology (Fig. 5.1). In the present thesis, the first reported thermogelling polymer solely consisting of POx and POzi, i.e., the diblock copolymer PMeOx-b-PnPrOzi comprising a hydrophilic block (PMeOx) and a thermoresponsive block (PnPrOzi), was selected and used as a proof-of-concept for the preparation of three novel hybrid hydrogels. Therefore, three batches of the diblock copolymers with a DP of 100 were synthesized for the study of three different hybrid hydrogels with a special focus on their suitability as (bio)inks for extrusion-based 3D printing. The PMeOx-b-PnPrOzi diblock copolymer solution shows a temperature induced reversible gelation behavior above a critical polymer concentration of 20 wt%, as described for the Pluronic F127 solution but with a unique gelation mechanism, working through the formation of a bicontinuous sponge-like structure from the physically crosslinked vesicles. Specially, its intrinsic shear thinning behavior and excellent recovery property with a certain yield point make it a promising ink candidate for extrusion-based printing technology. Increasing the polymer concentration is the most traditional approach to improve the printability of an ink material, and serve as the major strategy available to improve the printability of PMeOx-b-PnPrOzi systems prior to this work. From the analysis of rheological properties related to printability, it came a conclusion that increasing the copolymer concentration does improve the hydrogel strength and thus the printability. However, such improvement is very limited and usually leads to other problems such as more viscous systems and stringent requirements on the printers, which are not ideal for the printing process and applications especially in the cell-embedded biofabrication field. POx-b-POzi/clay Hybrid Hydrogel An alternative method proposed to improve the printability of this thermoresponsive hydrogel ink is through nanoclay (Laponite XLG) addition, i.e., the first hybrid hydrogel system of PMeOx-b-PnPrOzi/clay (also named shortly as POx-b-POzi/clay) in this thesis. To optimize the viscoelastic properties of the ink material, Laponite XLG acted as a reinforcement additive and a physically crosslinker was blended with the copolymers. Compared with the pristine copolymer solution of PMeOx-b-PnPrOzi, the hybrid PMeOx-b-PnPrOzi/clay solution well retained the temperature induced gelation performance of the copolymers. The obtained hybrid hydrogels exhibited a rapid in situ reversible thermogelation at a physiological relevant Tgel of around 15 ℃ and a rapid recovery of viscoelastic properties within a few seconds. More importantly, with the addition of only a small amount of 1.2 wt% clay, it exhibited obviously enhanced shear thinning character (n = 0.02), yield stress (240 Pa) and mechanical strength (storage modulus over 5 kPa). With this novel hybrid hydrogel, real three-dimensional constructs with multiple layers and various geometries are generation with greatly enhanced shape fidelity and resolution. In this context, the thermogelling properties of the hybrid hydrogels over a copolymer concentration range of 10-20 wt% and a clay concentration of 0-4 wt% were systematically investigated, and from which a printable window was obtained from the laboratory as a reference. In fact, the printing performance of an ink is not only determined by the intrinsic physicochemical properties of the material, but is also influenced by the external printing environments as well as the printer parameter settings. All the printing experiments in this study were conducted under a relatively optimized conditions obtained from preliminary experiments. In future work, the relationship between material rheology properties, printer parameters and printing performance could be systematically explored. Such a fundamental study will help to develop models that allows the prediction and comparison of printing results from different researches based on the parameters available through rheology, which is very beneficial for further development of more advanced ink systems. Although the printability has been significantly improved by the addition of nanoclay Laponite XLG, the hybrid hydrogels and their printed constructs still suffer from some major limitations. For example, these materials are still thermoresponsive, which will cause the printed constructs to collapse when the environment temperature changes below their Tgel. In addition, the formed hydrogel constructs are mechanical too weak for load-bearing applications, and the allowed incubation time is very limited during media exchange/addition as it will lead to dissolution of the hydrogels due to dilution effects. Therefore, it is essential to establish a second (chemical or physical) crosslinking mechanism that allows further solidification of the gels after printing. It should be kept in mind that the second crosslinking step will eliminate the thermoresponsive behavior of the gels and thus the possibility of cell recovery. In this case, besides through the traditional approach of copolymer modification to realize further crosslinking, like one of the well-known post-polymerization modification approach Diels-Alder reaction,[430] designing of interpenetrating networks (IPN) hydrogels serves as one of the major strategy for advanced (bio)ink preparation.[311] Therefore, the second hybrid hydrogel system of PMeOx-b-PnPrOzi/PDMAA/clay (also named shortly as POx-b-POzi/PDMAA/clay) was developed in this thesis, which is a 3D printable and highly stretchable ternary organic-inorganic IPN hydrogel. POx-b-POzi/PDMAA/clay Hybrid Hydrogel The nanocomposite IPN hydrogel combines a thermoresponsive hydrogel with clay described above and in situ polymerized poly(N, N-dimethylacrylamide). Before in situ polymerization, the thermoresponsive hydrogel precursors exhibited thermogelling behavior (Tgel ~ 25 ℃, G' ~ 6 kPa) and shear thinning properties, making the system well-suited for extrusion-based 3D printing. After chemical curing of the 3D-printed constructs by free radical polymerization, the resulting IPN hydrogels show excellent mechanical strength with a high stretchability to a tensile strain at break exceeding 550%. The hybrid hydrogel can sustain a high stretching deformation and recover quickly due to the energy dissipation from the non-covalent interactions. With this hybrid hydrogel, integrating with the advanced 3D-printing technique, various 3D constructs can be printed and cured successfully with high shape fidelity and geometric accuracy. In this context, we also investigated the possibility of acrylic acid (AA) and 2-hydroxyethylmethacrylate (HEMA) as alternative hydrogel precursors. However, the addition of these two monomers affected the thermogelation of POx-b-POzi in an unfavorable manner, as these monomers competed more effectively with water molecules, preventing the hydration of nPrOzi block at lower temperatures and therefore, the liquefaction of the gels. Furthermore, the influence of the printing process and direction on the mechanical properties of the hydrogel was investigated and compared with the corresponding bulk materials obtained from a mold. No significant effects from the additive manufacturing process were observed due to a homogeneously adhesion and merging between sequentially deposited layers. In the future, further studies on the specific performance differences among hydrogels fabricated at different printing directions/speeds would be of great interest to the community, as this allows for a more accurately control and better predict of the printed structures. This newly developed hybrid IPN hydrogel is expected to expand the material toolbox available for hydrogel-based 3D printing, and may be interesting for a wide range of applications including tissue engineering, drug delivery, soft robotics, and additive manufacturing in general. However, in this case, the low toxicity from the monomer DMAA and other small molecules residuals in the polymerized hydrogels made this hybrid hydrogel not ideal for bioprinting in the field of biofabrication. For this problem, cyto-/biocompatible monomers such as polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) can be used as an alternative, while the overall properties of the hydrogels including mechanical properties should be re-evaluated accordingly. Moreover, the swelling behavior of the hydrogels should also be taken into account, as it may most likely affect the mechanical strength and geometry size of the printed scaffold, but is often be overlooked after printing. For example, regarding the specific hybrid hydrogel POx-b-POzi/PDMAA/clay in this work, an equilibrium swelling ratio of 1100% was determined. The printed hydrogel cuboid experienced a volume increasing over 6-fold after equilibrium swelling in water, and became mechanical fragile due to the formation of a swollen hydrogel network absorbing large amount of water. POx-b-POzi/Alg/clay Hybrid Hydrogel In the final part of this dissertation, to enable the cell-loaded bioprinting and long-term cell culture, the third hybrid hydrogel system POx-b-POzi/Alg/clay was introduced by replacing the monomer DMAA to the natural polysaccharides alginate. Initially, detailed rheological characterization and mechanical tests were performed to evaluate their printability and mechanically properties. Subsequently, some simple patterns were printed with the optimized hydrogel precursor solutions for the preliminary filament fusion and collapse test before proceeding to more complex printings. The fibers showed a sufficient stability which allows the creation of large structures with a height of a few centimeters and a suspended filament up to centimeter. Accordingly, various 3D constructs including suspended filaments were printed successfully with high stackability and shape fidelity. The structure after extrusion was physical crosslinked easily by soaking in CaCl2 solution and, thereafter exhibited a good mechanical flexibility and long-term stability. Interestingly, the mechanical strength and geometry size of the generated scaffolds were well maintained over a culture period of weeks in water, which is of great importance for clinical applications. In addition, the post-printing ionic crosslinking of alginate could also be realized by other di/trivalent cations such as Fe3+ and Tb3+. Subsequently, the cell-laden printing with this hybrid hydrogel and post-printing crosslinking by Ca2+ ions highlighting its feasibility for 3D bioprinting. WST-1 assay of fibroblast suggested no-dose dependent cytocompatibility of the hydrogel precursor solution. The cell distribution was uniform throughout the printed construct, and proliferated with high cell viability during the 21 days culture. The presented hybrid approach, utilizing the beneficial properties of the POx-b-POzi base material, could be interesting for a wide range of bioprinting applications and potentially enabling also other biological bioinks such as collagen, hyaluronic acid, decellularized extracellular matrix or cellulose based bioinks. Although the results look promising and the developed hydrogel is an important bioink candidate, the long-term in vitro cell studies with different cell lines and clinical model establishment are still under investigation, which remains a long road but is of great importance before realizing real clinical application. Last but not least, the improvement to the printability of thermogelling POx/POzi-based copolymers by the clay Laponite XLG was also demonstrated in another thermogelling copolymer PEtOx-b-PnPrOzi. This suggests that the addition of clay may be a general strategy to improve the printability of such polymers. Despite these advances in this work which significantly extended the (bio)material platform of additive manufacturing technology, the competition is still fierce and more work should be done in the further to reveal the potential and limitations of this kind of new and promising candidate (bio)ink materials. It is also highly expected for further creative works based on the thermogelling POx/POzi polymers, such as crosslinking in Ca2+ solution containing monomer acrylamide to prepare printable and mechanically tough hydrogels, research on POx-based support bath material, and print of clinically more relevant sophisticated structures such as 3D microvascular networks omnidirectionally. N2 - Motiviert durch das große Potenzial, das die Kombination von additiver Fertigungstechnologie und Hydrogelen insbesondere im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin bietet, wurde eine Reihe neuartiger Hybrid-Hydrogeltinten auf der Grundlage der kürzlich beschriebenen thermogelierenden Poly(2-oxazolin)s-block-Poly(2-oxazin)s-diblock-copolymere entwickelt, die dazu beitragen können, die Plattform der verfügbaren Hydrogeltinten für diese transformative 3D-Drucktechnologie zu erweitern (Abb. 6.1). In der vorliegenden Arbeit wurde das erste bekannte thermogelierende Polymer, das ausschließlich aus POx und POzi besteht, d.h. das Diblock-Copolymer PMeOx-b-PnPrOzi, das einen hydrophilen Block (PMeOx) und einen thermoresponsiven Block (PnPrOzi) umfasst, ausgewählt und als Proof-of-Concept für die Herstellung von drei neuartigen Hybridhydrogelen verwendet. Daher wurden drei Chargen der Diblock-Copolymere mit einem DP von 100 für die Untersuchung von drei verschiedenen Hybrid-Hydrogelen synthetisiert, wobei der Schwerpunkt auf ihrer Eignung als (Bio-)Tinten für den extrusionsbasierten 3D-Druck lag. Die PMeOx-b-PnPrOzi Diblock-Copolymer-Lösung zeigt ein temperaturinduziertes reversibles Gelierverhalten oberhalb einer kritischen Polymerkonzentration von 20 Gew.-%, wie für die Pluronic F127-Lösung beschrieben, jedoch mit einem einzigartigen Geliermechanismus, der durch die Bildung einer bikontinuierlichen, schwammartigen Struktur aus den physikalisch vernetzten Vesikeln zustande kommt. Insbesondere das intrinsische Scherverdünnungsverhalten und die hervorragende Rückstelleigenschaft mit einer bestimmten Fließgrenze machen sie zu einem vielversprechenden Tintenkandidaten für die extrusionsbasierte Drucktechnologie. Die Erhöhung der Polymerkonzentration ist der traditionellste Ansatz zur Verbesserung der Bedruckbarkeit eines Druckfarbenmaterials und diente vor dieser Arbeit als Hauptstrategie zur Verbesserung der Bedruckbarkeit von PMeOx-b-PnPrOzi-Systemen. Die Analyse der rheologischen Eigenschaften, die mit der Druckfähigkeit zusammenhängen, ergab, dass eine Erhöhung der Copolymerkonzentration die Festigkeit des Hydrogels und damit die Druckfähigkeit verbessert. Diese Verbesserung ist jedoch sehr begrenzt und führt in der Regel zu anderen Problemen wie zähflüssigeren Systemen und strengen Anforderungen an die Drucker, was für den Druckprozess und die Anwendungen insbesondere im Bereich der zelleingebetteten Biofabrikation nicht ideal ist. POx-b-POzi/clay Hybrid Hydrogel Eine alternative Methode zur Verbesserung der Druckbarkeit dieser thermoresponsiven Hydrogeltinte ist die Zugabe von Nanoclay (Laponite XLG), d. h. das erste hybride Hydrogelsystem aus PMeOx-b-PnPrOzi/clay (in dieser Arbeit auch kurz als POx-b-POzi/clay bezeichnet). Um die viskoelastischen Eigenschaften der Tinte zu optimieren, wurde Laponite XLG als Verstärkungsadditiv eingesetzt und ein physikalischer Vernetzer mit den Copolymeren gemischt. Im Vergleich zur ursprünglichen Copolymerlösung von PMeOx-b-PnPrOzi behielt die hybride PMeOx-b-PnPrOzi/clay-Lösung die temperaturinduzierte Gelierleistung der Copolymere gut bei. Die erhaltenen Hybrid-Hydrogele zeigten eine schnelle reversible Thermogelierung in situ bei einer physiologisch relevanten Tgel von etwa 15 ℃ und eine rasche Erholung der viskoelastischen Eigenschaften innerhalb weniger Sekunden. Noch wichtiger ist, dass die Zugabe einer geringen Menge von 1.2 Gew.-% clay zu einer deutlichen Verbesserung der Scherverdünnung (n = 0.02), der Fließspannung (240 Pa) und der mechanischen Festigkeit (Speichermodul über 5 kPa) führte. Mit diesem neuartigen Hybrid-Hydrogel lassen sich echte dreidimensionale Konstrukte mit mehreren Schichten und verschiedenen Geometrien mit deutlich verbesserter Formtreue und Auflösung erzeugen. In diesem Zusammenhang wurden die Thermogel-Eigenschaften der Hybrid-Hydrogele über einen Copolymer-Konzentrationsbereich von 10-20 Gew.-% und einer clay-Konzentration von 0-4 Gew.-% systematisch untersucht, wobei ein druckbares Fenster als Referenz aus dem Labor gewonnen wurde. Die Druckleistung einer Tinte wird nicht nur durch die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials bestimmt, sondern auch durch die äußeren Druckbedingungen und die Einstellungen der Druckerparameter beeinflusst. Alle Druckexperimente in dieser Studie wurden unter relativ optimierten Bedingungen durchgeführt, die durch Vorversuche ermittelt wurden. In zukünftigen Arbeiten könnte die Beziehung zwischen den rheologischen Eigenschaften des Materials, den Druckerparametern und der Druckleistung systematisch erforscht werden. Eine solche grundlegende Studie wird dazu beitragen, Modelle zu entwickeln, die die Vorhersage und den Vergleich von Druckergebnissen aus verschiedenen Untersuchungen auf der Grundlage der über die Rheologie verfügbaren Parameter ermöglichen, was für die weitere Entwicklung fortschrittlicherer Tintensysteme sehr nützlich ist. Obwohl die Druckbarkeit durch die Zugabe von Nanoclay Laponite XLG erheblich verbessert wurde, weisen die hybriden Hydrogele und ihre gedruckten Konstrukte immer noch einige wesentliche Einschränkungen auf. Zum Beispiel sind diese Materialien immer noch thermoresponsiv, was dazu führt, dass die gedruckten Konstrukte kollabieren, wenn die Umgebungstemperatur unter ihre Tgel-Temperatur fällt. Außerdem sind die gebildeten Hydrogelkonstrukte mechanisch zu schwach für lasttragende Anwendungen, und die zulässige Inkubationszeit ist während des Medienaustauschs/der Medienzugabe sehr begrenzt, da sie aufgrund von Verdünnungseffekten zur Auflösung der Hydrogele führt. Daher ist es wichtig, einen zweiten (chemischen oder physikalischen) Vernetzungsmechanismus zu schaffen, der eine weitere Verfestigung der Gele nach dem Druck ermöglicht. Dabei ist zu bedenken, dass der zweite Vernetzungsschritt das thermoresponsive Verhalten der Gele und damit die Möglichkeit der Rückgewinnung von Zellen. In diesem Fall ist neben dem traditionellen Ansatz der Copolymermodifikation zur weiteren Vernetzung, wie z. B. der bekannten Diels-Alder-Reaktion,[430] die Entwicklung von Hydrogelen mit interpenetrierenden Netzwerken (IPN) eine der wichtigsten Strategien für die Herstellung fortschrittlicher (Bio-)Tinten.[311] Daher wurde in dieser Arbeit das zweite hybride Hydrogelsystem PMeOx-b-PnPrOzi/PDMAA/clay (auch kurz als POx-b-POzi/PDMAA/clay bezeichnet) entwickelt, das ein 3D-druckbares und hoch dehnbares ternäres organisch-anorganisches IPN-Hydrogel ist. POx-b-POzi/PDMAA/clay Hybrid Hydrogel Das Nanokomposit-IPN-Hydrogel kombiniert ein thermoresponsives Hydrogel mit dem oben beschriebenen clay Laponite XLG und in situ polymerisiertem Poly(N,N-dimethylacrylamid). Vor der In-situ-Polymerisation zeigten die thermoresponsiven Hydrogelvorläufer ein Thermogelling-Verhalten (Tgel ~ 25 ℃, G' ~ 6 kPa) und scherverdünnende Eigenschaften, wodurch sich das System gut für den extrusionsbasierten 3D-Druck eignet. Nach der chemischen Aushärtung der 3D-gedruckten Konstrukte durch radikalische Polymerisation zeigen die resultierenden IPN-Hydrogele eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit mit einer hohen Dehnbarkeit bis zu einer Bruchdehnung von über 550 %. Das Hybridhydrogel kann eine hohe Dehnungsverformung aushalten und sich aufgrund der Energiedissipation durch die nicht-kovalenten Wechselwirkungen schnell erholen. Mit diesem Hybrid-Hydrogel können in Verbindung mit der fortschrittlichen 3D-Drucktechnik verschiedene 3D-Konstrukte mit hoher Formtreue und geometrischer Genauigkeit gedruckt und ausgehärtet werden. In diesem Zusammenhang untersuchten wir auch die Möglichkeit von Acrylsäure (AA) und 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) als alternative Hydrogelvorläufer. Die Zugabe dieser beiden Monomere wirkte sich jedoch ungünstig auf die Thermogelierung von POx-b-POzi aus, da diese Monomere effektiver mit Wassermolekülen konkurrierten und die Hydratation des nPrOzi-Blocks bei niedrigeren Temperaturen und damit die Verflüssigung der Gele verhinderten. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Druckverfahrens und der Druckrichtung auf die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels untersucht und mit den entsprechenden aus einer Form gewonnenen Massenmaterialien verglichen. Es wurden keine signifikanten Auswirkungen des additiven Herstellungsverfahrens beobachtet, da die nacheinander aufgebrachten Schichten homogen aneinander haften und miteinander verschmelzen. In Zukunft wären weitere Studien zu den spezifischen Leistungsunterschieden zwischen Hydrogelen, die mit unterschiedlichen Druckrichtungen und -geschwindigkeiten hergestellt wurden, von großem Interesse für die Fachwelt, da dies eine genauere Kontrolle und bessere Vorhersage der gedruckten Strukturen ermöglicht. Dieses neu entwickelte hybride IPN-Hydrogel wird voraussichtlich die Materialpalette für den hydrogelbasierten 3D-Druck erweitern und könnte für eine Vielzahl von Anwendungen interessant sein, darunter Tissue Engineering, Medikamentenverabreichung, Soft Robotics und additive Fertigung im Allgemeinen. In diesem Fall war das Hybrid-Hydrogel jedoch aufgrund der geringen Toxizität des Monomers DMAA und anderer kleiner Moleküle, die in den polymerisierten Hydrogelen zurückblieben, nicht ideal für das Bioprinting im Bereich der Biofabrikation. Für dieses Problem können zyto-/biokompatible Monomere wie Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA) als Alternative verwendet werden, wobei die Gesamteigenschaften der Hydrogele einschließlich der mechanischen Eigenschaften entsprechend neu bewertet werden sollten. Darüber hinaus sollte auch das Quellverhalten der Hydrogele berücksichtigt werden, da es sich höchstwahrscheinlich auf die mechanische Festigkeit und die Geometriegröße des gedruckten Gerüsts auswirkt, aber nach dem Druck oft übersehen wird. Für das in dieser Arbeit verwendete Hybrid-Hydrogel POx-b-POzi/PDMAA/clay wurde zum Beispiel ein Gleichgewichtsquellverhältnis von 1100 % ermittelt. Der gedruckte Hydrogelquader erfuhr nach der Gleichgewichtsquellung in Wasser eine Volumenzunahme um das 6-fache und wurde aufgrund der Bildung eines gequollenen Hydrogelnetzwerks, das eine große Menge Wasser absorbiert, mechanisch brüchig. POx-b-POzi/Alg/clay Hybrid Hydrogel Im letzten Teil dieser Dissertation wurde das dritte hybride Hydrogelsystem POx-b-POzi/Alg/clay eingeführt, um das zellbeladene Bioprinting und die langfristige Zellkultur zu ermöglichen, indem das Monomer DMAA durch das natürliche Polysaccharid Alginat ersetzt wurde. Zunächst wurden eine detaillierte rheologische Charakterisierung und mechanische Tests durchgeführt, um die Druckbarkeit und die mechanischen Eigenschaften zu bewerten. Anschließend wurden einige einfache Muster mit den optimierten Hydrogel-Vorläuferlösungen gedruckt, um die Fusion und das Koaleszieren der Stränge zu testen, bevor komplexere Drucke durchgeführt wurden. Die Stränge wiesen eine ausreichende Stabilität auf, die die Herstellung großer Strukturen mit einer Höhe von einigen Zentimetern und einem hängenden Filament von bis zu einem Zentimeter ermöglicht. Dementsprechend wurden verschiedene 3D-Konstruktionen, einschließlich hängender Filamente, erfolgreich mit hoher Stapelbarkeit und Formtreue gedruckt. Die Struktur wurde nach der Extrusion durch Eintauchen in CaCl2-Lösung leicht physikalisch vernetzt und wies danach eine gute mechanische Flexibilität und Langzeitstabilität auf. Interessanterweise blieben die mechanische Festigkeit und die geometrische Größe der erzeugten Gerüste über einen Kulturzeitraum von mehreren Wochen in Wasser erhalten, was für klinische Anwendungen von großer Bedeutung ist. Darüber hinaus könnte die ionische Vernetzung von Alginat nach dem Druck auch mit anderen zwei- oder dreiwertigen Kationen wie Fe3+ und Tb3+ erfolgen. Anschließend wurde das Hybrid-Hydrogel mit Zellen verdruckt und nach dem Druck durch Ca2+-Ionen vernetzt, was seine Eignung für das 3D-Bioprinting unterstreicht. Der WST-1-Test an Fibroblasten zeigte, dass die Hydrogelvorläuferlösung dosisunabhängig zytokompatibel ist. Die Zellen verteilten sich gleichmäßig über das gesamte gedruckte Konstrukt und vermehrten sich während der 21-tägigen Kultur mit hoher Zelllebensfähigkeit. Der vorgestellte hybride Ansatz, der die vorteilhaften Eigenschaften des POx-b-POzi-Basismaterials nutzt, könnte für ein breites Spektrum von Bioprinting-Anwendungen interessant sein und möglicherweise auch andere biologische Biotinten wie Kollagen, Hyaluronsäure, dezellularisierte extrazelluläre Matrix oder auf Zellulose basierende Biotinten ermöglichen. Obwohl die Ergebnisse vielversprechend aussehen und das entwickelte Hydrogel ein wichtiger Biotinten-Kandidat ist, sind die langfristigen In-vitro-Zellstudien mit verschiedenen Zelllinien und die Etablierung eines klinischen Modells noch in der Forschung, was ein langer Weg ist, aber von großer Bedeutung, bevor eine echte klinische Anwendung realisiert werden kann. Nicht zuletzt wurde die Verbesserung der Druckfähigkeit von thermogelierenden POx/POzi-Copolymeren durch den clay Laponite XLG auch bei einem anderen thermogelierenden Copolymer PEtOx-b-PnPrOzi nachgewiesen. Dies deutet darauf hin, dass die Zugabe von Ton eine allgemeine Strategie zur Verbesserung der Druckfähigkeit solcher Polymere sein könnte. Trotz dieser Fortschritte in dieser Arbeit, die die (Bio-)Materialplattform der additiven Fertigungstechnologie erheblich erweitert hat, ist der Wettbewerb immer noch hart, und es sollte weiter daran gearbeitet werden, das Potenzial und die Grenzen dieser Art von neuen und vielversprechenden Kandidaten für (Bio-)Tintenmaterialien aufzuzeigen. Weitere kreative Arbeiten auf der Grundlage der thermogelierenden POx/POzi-Polymere erwartet, z. B. die Vernetzung in einer Ca2+-haltigen Lösung, die das Monomer Acrylamid enthält, um druckbare und mechanisch widerstandsfähige Hydrogele herzustellen, die Erforschung von POx-basiertem Badematerial und der Druck klinisch relevanterer komplexer Strukturen wie mikrovaskulärer 3D-Netzwerke in allen Richtungen. KW - Funktionsgel KW - hydrogels KW - poly(2-oxazoline) Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-279354 ER - TY - CHAP A1 - Liaqat, Anam A1 - Sednev, Maksim V. A1 - Höbartner, Claudia T1 - In Vitro Selection of Deoxyribozymes for the Detection of RNA Modifications T2 - Ribosome Biogenesis: Methods and Protocols N2 - Deoxyribozymes are artificially evolved DNA molecules with catalytic abilities. RNA-cleaving deoxyribozymes have been recognized as an efficient tool for detection of modifications in target RNAs and provide an alternative to traditional and modern methods for detection of ribose or nucleobase methylation. However, there are only few examples of DNA enzymes that specifically reveal the presence of a certain type of modification, including N6-methyladenosine, and the knowledge about how DNA enzymes recognize modified RNAs is still extremely limited. Therefore, DNA enzymes cannot be easily engineered for the analysis of desired RNA modifications, but are instead identified by in vitro selection from random DNA libraries using synthetic modified RNA substrates. This protocol describes a general in vitro selection stagtegy to evolve new RNA-cleaving DNA enzymes that can efficiently differentiate modified RNA substrates from their unmodified counterpart. KW - RNA KW - deoxyribozymes KW - modified RNA nucleotides KW - catalytic DNA KW - epitranscriptomics KW - in vitro selection KW - RNA cleavage Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-279208 SN - 978-1-0716-2501-9 PB - Humana Press ER - TY - THES A1 - Calderón Giraldo, Jeniffer T1 - Analysis of estrogen profiles including methoxyestrogen glucuronides: method validation and applicability to human plasma and breast tissue T1 - Analyse von Estrogenprofilen einschließlich Methoxyestrogenglucuroniden: Methodenvalidierung und Anwendbarkeit auf menschliches Plasma und Brustgewebe N2 - Estrogens, namely 17β-estradiol (E2) and estrone (E1) are considered to play an important role in the initiation and promotion of breast cancer (summarized in Raftogianis et al., 2000), a malignancy responsible for around 500,000 deaths per year (summarized in Ghislain et al., 2016). Two major mechanisms have been postulated to explain the carcinogenic effects of estrogens: (1) the estrogen receptor-mediated stimulation of breast cell proliferation with a concomitant enhanced rate of mutations and (2) the metabolism of hydroxylated estrogens to quinone derivatives which can react with the DNA (Russo and Russo, 2006, summarized in Yager and Davidson, 2006). Nevertheless, as a detoxifying mechanism, E1, E2, and their hydroxylated and methoxylated metabolites are reversibly conjugated into sulfates and glucuronides devoid of biological activity (summarized in Guillemette et al., 2004). Yet, despite the key detoxifying function of these conjugates, the study of their circulating levels face some significant problems: (1) analysis by techniques such as radioimmunoassay lack specificity and accuracy and requires enzymatic/chemical hydrolysis before analysis, being unable to differentiate between sulfates and glucuronides (summarized in Stanczyk et al., 2007, summarized in Wang et al., 2016), (2) very little knowledge in healthy women, which has been identified as a barrier to advance in breast cancer research (summarized in Liu, 2000), and (3) far fewer studies in pre- than in postmenopausal women (summarized in Samavat and Kurzer, 2015). Therefore, to get more insights into the research of breast cancer etiology and prevention, the analysis of circulating levels of estrogens (including metabolites and conjugates) in women without breast cancer through reliable analytical techniques, is required. N2 - Estrogene spielen eine zentralle Rolle bei der Entstehung von Brustkrebs. Jedoch haben nicht alle Estrogenmetabolite die gleiche Wirkung. Deshalb ist das Wissen über das Profil der zikulierenden Estrogene bei gesunden Frauen von entscheidender Bedeutung. Die meisten Methoden zur Analyse von Estrogenen zielen jedoch entweder nicht auf konjugierte Estrogene ab oder erfassen nur die Summe der jeweiligen freien und konjugierten Form. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war demzufolge, die Möglichkeit der Einbeziehung von Methoxyestrogenglucuroniden in eine bestehende Methode zur Analyse von Estrogenen zu evaluieren und somit die Analyse von Estrogenprofilen im menschlichen Plasma und im Brustgewebe von Frauen ohne Brustkrebs zu ergänzen. ... KW - Estrogens KW - profiles KW - human plasma Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-209396 ER - TY - THES A1 - Smolan, Willi T1 - Linear Multifunctional PEG-Alternatives for Bioconjugation and Hydrogel Formation T1 - Lineare Multifunktionelle PEG-Alternativen für Biokonjugation und Hydrogelbildung N2 - The objective of this thesis was the synthesis and characterisation of two linear multifunctional PEG-alternatives for bioconjugation and hydrogel formation: i) Hydrophilic acrylate based copolymers containing peptide binding units and ii) hydrophilic polyether based copolymers containing different functional groups for a physical crosslinking. In section 3.1 the successful synthesis of water soluble and linear acrylate based polymers containing oligo(ethylene glycol) methyl ether acrylate with either linear thioester functional 2-hydroxyethyl acrylate, thiolactone acrylamide, or vinyl azlactone via the living radical polymerisation technique Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) and via free-radical polymerisation is described. The obtained polymers were characterized via GPC, 1H NMR, IR and RAMAN spectroscopy. The RAFT end group was found to be difficult to remove from these short polymer chains and accordingly underwent the undesired side reaction aminolysis with the peptide during the conjugation studies. Besides that, polymers without RAFT end groups did not show any binding of the peptide at the thioester groups, which can be improved in future by using higher reactant concentrations and higher amount of binding units at the polymer. Polymers containing the highly reactive azlactone group showed a peptide binding of 19 %, but unfortunately this function also underwent spontaneous hydrolysis before the peptide could even be bound. In all cases, oligo(ethylene glycol) methyl ether acrylate was used with a relatively high molecular weight (Mn = 480 Da) was used, which eventually was efficiently shielding the introduced binding units from the added peptide. In future, a shorter monomer with Mn = 300 Da or less or hydrophilic N,N’-dialkyl acrylamide based polymers with less steric hindrance could be used to improve this bioconjugation system. Additionally, the amount of monomers containing peptide binding units in the polymer can be increased and have an additional spacer to achieve higher loading efficiency. The water soluble, linear and short polyether based polymers, so called polyglycidols, were successfully synthesized and modified as described in section 3.2. The obtained polymers were characterized using GPC, 1H NMR, 31P{1H} NMR, IR, and RAMAN spectroscopy. The allyl groups which were present up to 20 % were used for radical induced thiol-ene chemistry for the introduction of functional groups intended for the formation of the physically crosslinking hydrogels. For the positively charged polymers, first a chloride group had to be introduced for the subsequent nucleophilic substitution with the imidazolium compound. There, degrees of modifications were found in the range 40-97 % due to the repulsion forces of the charges, decreased concentration of active chloride groups, and limiting solution concentrations of the polymer for this reaction. For the negatively charged polymers, first a protected phosphonamide moiety was introduced with a deprotection step afterwards showing 100 % conversion for all reactions. Preliminary hydrogel tests did not show a formation of a three-dimensional network of the polymer chains which was attributed to the short backbone length of the used polymers, but the gained knowledge about the synthetic routes for the modification of the polymer was successfully transferred to longer linear polyglycidols. The same applies to the introduction of electron rich and electron poor compounds showing π-π stacking interactions by UV-vis spectroscopy. Finally, long linear polyglycidyl ethers were synthesised successfully up to molecular weights of Mn ~ 30 kDa in section 3.3, which was also proven by GPC, 1H NMR, IR and RAMAN spectroscopy. This applies to the homopolymerisation of ethoxyethyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether and their copolymerisation with an amount of the allyl compound ~ 10 %. Attempts for higher molecular weights up to 100 kDa showed an uncontrolled polymerisation behaviour and eventually can be improved in future by choosing a lower initiation temperature. Also, the allyl side groups were modified via radical induced thiol-ene chemistry to obtain positively charged functionalities via imidazolium moieties (85 %) and negatively charged functionalities via phosphonamide moieties (100 %) with quantitative degree of modifications. Hydrogel tests have still shown a remaining solution by using long linear polyglycidols carrying negative charges with long/short linear polyglycidols carrying positive charges. The addition of calcium chloride led to a precipitate of the polymer instead of a three-dimensional network formation representing a too high concentration of ions and therefore shielding water molecules with prevention from dissolving the polymer. These systems can be improved by tuning the polymers structure like longer polymer chains, longer spacer between polymer backbone and charge, and higher amount of functional groups. The objective of the thesis was partly reached containing detailed investigated synthetic routes for the design and characterisation of functional polymers which could be used in future with improvements for bioconjugation and hydrogel formation tests. N2 - Das Ziel dieser Arbeit war es zwei lineare multifunktionale PEG-Alternativen für die Bioconjugation und Hydrogelbildung herzustellen und zu charakterisieren: i) Wasserlösliche Acrylat-basierte Copolymere mit Peptidbindungseinheiten und ii) wasserlösliche Polyether-basierte Copolymere mit verschiedenen funktionalen Gruppen für eine physikalische Vernetzung. In Abschnitt 3.1 wurde die erfolgreiche Synthese von wasserlöslichen und linearen Acrylat-basierten Polymeren, die Oligo(ethylen glycol) methyl ether acrylat mit jeweils 2-Hydroxyethyl acrylate modifiziert mit linearem Thioester, Thiolactonacrylamid und Vinylazlacton enthielten, mittels der lebenden Polymerisationstechnik Reversible Additions-Fragmentierungs Kettenübertragung (RAFT) und mittels freier radikalischer Polymerisation durch GPC, 1H NMR, IR und RAMAN Spektroskopie bewiesen. Es erwies sich als schwer die RAFT-Endgruppe von den kurzen Polymerketten zu entfernen und führte zur Nebenreaktion Aminolyse mit dem Peptid während des Konjugationsprozesses. Außerdem zeigten Polymere ohne RAFT-Endgruppen keine Peptidbindung an den Thioestergruppen, was durch höhere Konzentration der Reaktanten und größeren Anteil an Peptidbindungseinheiten am Polymer in Zukunft verbessert werden könnte. Polymere mit Azlaktongruppen zeigten eine Bindung von 19 %, wobei dies eine sehr reaktive Gruppe ist und vor der Peptidbindung noch hydrolysieren kann. In allen Fällen wurde Oligo(ethylen glycol) methyl ether acrylat mit Mn = 480 Da verwendet, welches die Peptidbindungsstellen abschirmen kann. Daher können in Zukunft Monomere mit Mn = 300 Da oder N,N’-Dialkylacrylamid-basierte Monomere mit weniger sterischer Hinderung für dieses System verwendet werden. Zusätzlich kann der Anteil an Monomeren mit Peptidbindungseinheiten im Polymer und zusätzlicher Seitenkette erhöht werden, um höhere Bindungseffektivitäten zu erreichen. Die erfolgreiche Synthese und Modifikation von wasserlöslichen, linearen und kurzen Polyether-basierten Polymeren, sogenannten Polyglycidolen, konnte in Abschnitt 3.2 mittels GPC, 1H NMR, 31P{1H} NMR, IR und RAMAN Spektroskopie bewiesen werden. Die Allylgruppe, die bis zu 20 % vorhanden war, wurde für die radikalisch induzierte Thiol-En Chemie zur Einführung von funktionellen Gruppen verwendet. Für die positiv geladenen Polymere, wurde zuerst eine Chloridgruppe generiert, die anschließend für die nukleophile Substitution mit einer Imidazolkomponente verwendet wurde. Dabei wurden Substitutionsgrade von 40-97 % gefunden, was an den Abstoßungskräften der Ladungen, verringerter Konzentration der aktiven Chloridgruppen und der begrenzten Löslichkeitskonzentration bei dieser Reaktion liegt. Für die negativ geladenen Polymere wurde zuerst eine geschützte Phosphonamidgruppe eingeführt, die anschließend entschützt wurde und bei allen Reaktionen einen Umsatz von 100 % zeigte. Vorläufige Hydrogeltests zeigten keine Bildung eines dreidimensionales Netzwerks der Polymerketten aber es wurden Erkenntnisse über die synthetischen Routen für die Modifikation der Polymere für den Transfer auf lange lineare Polyglycidole gewonnen. Das gleiche gilt für die Einführung von elektronreichen und elektronarmen Komponenten, die eine π-π Stapelwechselwirkung mittels UV-vis Spektroskopie zeigte. Letztlich wurden lange lineare Polyglycidole bis zu Molmassen von Mn ~ 30 kDa erfolgreich in Abschnitt 3.3 hergestellt und mittels GPC, 1H NMR, IR and RAMAN Spektroskopie bewiesen. Dies gilt für die Homopolymerisation von Ethoxyethyl glycidyl ether, Ally glycidyl ether und deren Copolymerisation mit einem Anteil der Allylkomponente von ~ 10 %. Versuche um höhere Molekulargewichte bis zu 100 kDa zeigten ein unkontrolliertes Polymerisationsverhalten, welches durch eine niedrigere Initiierungstemperatur weiter verbessert werden kann. Ebenso wurden die Allylseitengruppen mittels radikalisch induzierter Thiol-En Chemie modifiziert, um positivgeladene Funktionalitäten durch Imidazolgruppen (85 %) und negativgeladene Funktionalitäten durch Phosphonamidgruppen (100 %) in quantitativen Umsätzen einzuführen. Hydrogeltests von langen linearen Polyglycidolen, die negativ geladene Gruppen haben, mit langen/kurzen linearen Polyglycidolen, die positiv geladene Gruppen haben, haben eine verbleibende Lösung gezeigt. Die Zugabe von Calciumchlorid führte zum Ausfall des Polymers anstatt zu einem dreidimensionalen Netzwerk repräsentiert durch eine zu hohe Ionenkonzentration. Dies führte zu einer Abschirmung der Wassermoleküle vom Polymer und verhinderte, dies aufzulösen. Das System kann verbessert werden, indem die Polymerstruktur variiert wird, z.B. durch längere Polymerketten, größere Abstände zwischen Polymerhauptkette und Ladung und einen größeren Anteil an funktionellen Gruppen. Das Ziel der Arbeit wurde teilweise erreicht, welches detailliert untersuchte Syntheserouten für das Design und die Charakterisierung von funktionellen Polymeren beinhaltet, welche in Zukunft mit Verbesserungen für Bioconjuations- und Hydrogelformulierungstests verwendet werden können. KW - Wasserlösliche Polymere KW - Ringöffnungspolymerisation KW - Hydrogel KW - polyglycidol KW - RAFT KW - polymer-peptide-conjugate KW - ring opening polymerisation KW - thiol-ene Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-278734 ER - TY - THES A1 - Lehenberger, Maximilian T1 - Ecology and Evolution of symbiotic microbial communities in fungus farming ambrosia beetles T1 - Ökologie und Evolution von symbiotischen mikrobiellen Gemeinschaften in Pilzzüchtenden Ambrosiakäfern N2 - Within my PhD project I gained several novel insights into the poorly investigated symbiotic world of fungus farming ambrosia beetles and their bark beetle ancestors, where I especially focused on physiological interactions and capabilities of associated fungal symbionts. Here, (i) I could confirm the association of mutualistic Phialophoropsis fungi with the ambrosia beetle genus Trypodendron and found hints for a possible new Phialophoropsis species in T. signatum and T. domesticum. Moreover, I could show that mutualistic fungi of Trypodendron ambrosia beetles are able to decompose major woody polysaccharides such as cellulose and xylan. Additionally, (ii) I provided the first images using micro-computed tomography (µCT) of the formerly unknown structure of the mycetangium of Trypodendron leave. (iii) I could confirm a general tolerance towards ethanol in mutualistic ambrosia beetle fungi, while antagonistic fungi as well as most examined fungal bark beetle associates (e.g. possibly tree-defense detoxifying species) were highly sensitive to even low concentrations of ethanol. Further, (iv) I found that natural galleries of ambrosia beetles are highly enriched with several biologically important elements (such as N, P, S, K, Mg) compared to the surrounding woody tissue and suggest that mutualistic fungi are translocating and concentrating elements from the immediate surrounding xylem to the beetles galleries. Furthermore, (v) I could show that various fungi associated with bark and ambrosia beetles (mutualists, possibly beneficial symbionts) are emitting several volatile organic compounds mostly within aliphatic and aromatic alcohols and esters, while non-mutualistic and free living species were generally emitting a lower number and amount of volatiles. Finally, especially bark and ambrosia beetle fungi were found to incorporate several amino acids, from which some are especially important for the production of certain volatile organic compounds. Amino acid content also indicated a higher nutritional value for certain species. Here, I propose that especially volatile organic compounds are widespread key players in maintaining various symbioses between fungi and beetles, as already proven by a recent study on the bark beetle Ips typographus (as well as for some other bark beetle-fungus symbioses, see summary in Kandasamy et al. 2016) and also suggested for ambrosia beetles. N2 - Im Rahmen meiner Promotion konnte ich einige neue Einblicke in die symbiotische Welt von Pilz-züchtenden Ambrosiakäfern sowie ihren direkten Vorfahren den Borkenkäfern, mit speziellen Fokus auf physiologische Interaktionen und Besonderheiten der assoziierten Pilzen, erlangen. Hier konnte ich (i) die Assoziation der europäischen Trypodendron Arten mit mutualistischen Pilzen in der Gattung Phialophoropsis generell bestätigen und fand des weiteren Hinweise auf eine vermutlich neue Phialophoropsis Art in den beiden Ambrosiakäfern T. domesticum und T. signatum. Außerdem konnte ich zeigen, dass mutualistische Pilze, welche mit Ambrosiakäfern der Gattung Trypodendron assoziiert sind, wesentliche Polysaccharide im Holz (Cellulose und Xylan) abbauen können. Zusätzlich war es mir möglich, (ii) erstmals die Pilzsporen übertragende Struktur „Mycetangium“ des Ambrosiakäfers Trypodendron laeve zu untersuchen und durch den Einsatz von Mikro-Computertomographie (µCT) somit die ersten detaillierten Aufnahmen bereit zu stellen. Außerdem bestätigten und ergänzten meine Studien, (iii) das Ethanol� Toleranz unter Ambrosiakäfer-Pilzen eine wohl sehr weit verbreitete Besonderheit ist, wohingegen für die Käfer bzw. für die Ambrosiapilze schädliche Pilze stark durch schon geringe Ethanol-Konzentrationen gehemmt werden. Interessanterweise wurden auch nahezu alle mit Borkenkäfern assoziierten Pilze stark durch Ethanol gehemmt. Des Weiteren konnte ich zeigen, (iv) das natürliche Brutsysteme von Ambrosiakäfern, im Gegensatz zu unbesiedeltem Splintholz, sehr stark mit verschiedenen essentiellen Elementen (wie etwa N, P, S, K und Mg) angereichert sind. Sehr wahrscheinlich ist es den Pilzsymbionten möglich, Elemente aus unmittelbar umliegendem Splintholz abzuziehen und diese in den Brutsystemen der Käfer entsprechend anzureichern. Außerdem konnte ich zeigen, (v) das nahezu alle untersuchten Borken- und Ambrosiakäfer-Pilze (Mutualisten sowie möglicherweise begünstigende Symbionten) eine Vielzahl an flüchtigen Inhaltsstoffen produzieren, welche sich hier vor allem in die Gruppe der aliphatischen und aromatischen Alkohole und Ester eingliedern. Nicht mutualistische Pilze sowie freilebende Arten produzierten im Vergleich eine geringere Anzahl an unterschiedlichen flüchtigen Inhaltsstoffen und emittierten zumeist geringere Mengen davon. Schließlich konnte ich zeigen, dass vor allem Pilze welche mit Borken- und Ambrosiakäfern assoziiert sind, größere Mengen an verschiedenen Aminosäuren in ihrer Biomasse einbauen, von welchen einige besonders wichtig sind um bestimmte flüchtige Inhaltsstoffe zu bilden. Dazu kann durch den Anteil der gefundenen Aminosäuren in der Pilzbiomasse auf den nährstoffreichen Charakter der Pilze geschlossen werden. Diese flüchtigen Inhaltsstoffe haben mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine essenzielle Rolle innerhalb einer Vielzahl an Käfer-Pilz Symbiosen und sind vermutlich maßgeblich an dem Erfolg und Bestand solcher Symbiosen beteiligt. Dies wurde bereits in jüngster Vergangenheit bei dem Borkenkäfer Ips typographus mit seinen assoziierten Pilzen gezeigt (aber auch bei einigen weiteren Borkenkäfern, siehe Zusammenfassung von Kandasamy et al., 2016), während es bei Ambrosiakäfern bisher nur vermutet wurde. KW - Ambrosia beetles KW - Ambrosiakäfer KW - bark beetles KW - fungi KW - symbiosis KW - mutualism KW - Borkenkäfer KW - Pilze KW - Symbiose Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241546 PB - Fungal Ecology, Frontiers in Microbiology, Deutsche Gesellschaft für allgemeine und angewandte Entomologie ER - TY - THES A1 - Schamberger, Tamara Svenja T1 - Methodological Advances in Composite-based Structural Equation Modeling T1 - Methodische Weiterentwicklungen in der kompositen-basierten Strukturgleichungsmodellierung N2 - This thesis is about composite-based structural equation modeling. Structural equation modeling in general can be used to model both theoretical concepts and their relations to one another. In traditional factor-based structural equation modeling, these theoretical concepts are modeled as common factors, i.e., as latent variables which explain the covariance structure of their observed variables. In contrast, in composite-based structural equation modeling, the theoretical concepts can be modeled both as common factors and as composites, i.e., as linear combinations of observed variables that convey all the information between their observed variables and all other variables in the model. This thesis presents some methodological advancements in the field of composite-based structural equation modeling. In all, this thesis is made up of seven chapters. Chapter 1 provides an overview of the underlying model, as well as explicating the meaning of the term composite-based structural equation modeling. Chapter 2 gives guidelines on how to perform Monte Carlo simulations in the statistic software R using the package “cSEM” with various estimators in the context of composite-based structural equation modeling. These guidelines are illustrated by an example simulation study that investigates the finite sample behavior of partial least squares path modeling (PLS-PM) and consistent partial least squares (PLSc) estimates, particularly regarding the consequences of sample correlations between measurement errors on statistical inference. The third Chapter presents estimators of composite-based structural equation modeling that are robust in responding to outlier distortion. For this purpose, estimators of composite-based structural equation modeling, PLS-PM and PLSc, are adapted. Unlike the original estimators, these adjustments can avoid distortion that could arise from random outliers in samples, as is demonstrated through a simulation study. Chapter 4 presents an approach to performing predictions based on models estimated with ordinal partial least squares and ordinal consistent partial least squares. Here, the observed variables lie on an ordinal categorical scale which is explicitly taken into account in both estimation and prediction. The prediction performance is evaluated by means of a simulation study. In addition, the chapter gives guidelines on how to perform such predictions using the R package “cSEM”. This is demonstrated by means of an empirical example. Chapter 5 introduces confirmatory composite analysis (CCA) for research in “Human Development”. Using CCA, composite models can be estimated and assessed. This chapter uses the Henseler-Ogasawara specification for composite models, allowing, for example, the maximum likelihood method to be used for parameter estimation. Since the maximum likelihood estimator based on the Henseler-Ogasawara specification has limitations, Chapter 6 presents another specification of the composite model by means of which composite models can be estimated with the maximum likelihood method. The results of this maximum likelihood estimator are compared with those of PLS-PM, thus showing that this maximum likelihood estimator gives valid results even in finite samples. The last chapter, Chapter 7, gives an overview of the development and different strands of composite-based structural equation modeling. Additionally, here I examine the contribution the previous chapters make to the wider distribution of composite-based structural equation modeling. N2 - Diese Arbeit beschäftigt sich mit kompositen-basierter Strukturgleichungmodellierung. Strukturgleichungsmodellierung kann genutzt werden um sowohl theoretische Konzepte als auch deren Beziehungen untereinander zu modellieren. In der traditionellen faktor-basierten Strukturgleichungsmodellierung werden diese theoretischen Konzepte als “common factor”, d.h. als latente Variablen, die die Kovarianzstruktur ihrer beobachteten Variablen erklären, modelliert. Im Gegensatz dazu, können in kompositen-basierter Strukturgleichungsmodellierung die theoretischen Konzepte sowohl als “common factor” als auch als Komposite, also als Linearkombinationen beobachteter Variablen, die die gesamte Information zwischen ihren beobachteten Variablen und allen anderen Variablen im Modell übertragen, modelliert werden. Diese Arbeit stellt einige methodische Weiterentwicklungen im Bereich der kompositenbasierten Strukturgleichungsmodellierung vor. Sie besteht aus insgesamt 7 Kapiteln. Kapitel 1 gibt zunächst einen Überblick über das zugrundeliegende Modell sowie über die Definition des Begriffs der kompositen-basierten Strukturgleichungsmodellierung. In Kapitel 2 wird anschließend eine Anleitung dafür gegeben, wie Monte Carlo Simulationen in der Statistik Software R mittels des Pakets “cSEM” für verschiedene Schätzer, die der kompositen-basierten Strukturgleichungsmodellierung zugeordnet werden, durchgeführt werden können. Diese Anleitung wird anhand einer beispielhaften Simulationsstudie veranschaulicht, die das Verhalten von Partial Least Squares Path Modeling (PLS-PM) und consistent Partial Least Squares (PLSc) Schätzungen in endlichen Stichproben untersucht, insbesondere im Hinblick auf die Auswirkungen von Stichprobenkorrelationen zwischen Messfehlern auf statistische Inferenz. Im dritten Kapitel werden Schätzer der kompositen-basierten Strukturgleichungsmodellierung vorgestellt, die robust gegenüber Ausreißern sind. Dafür werden Schätzer der kompositen-basierten Strukturgleichungsmodellierung, PLS-PM und PLSc, angepasst. Im Gegensatz zu den ursprünglichen Schätzern, können mit diesen Anpassungen Verzerrungen, die durch zufällig entstandene Ausreißer in Stichproben entstehen können, vermieden werden, was anhand einer Simulationsstudie gezeigt wird. In Kapitel 4 wird eine Methode zur Durchführung von Vorhersagen auf Basis von Modellen vorgestellt, die mit ordinal Partial Least Squares und ordinal consistent Partial Least Squares geschätzt wurden. Die beobachteten Variablen sind dabei ordinal kategorial skaliert, was sowohl bei der Schätzung als auch der Vorhersage explizit berücksichtigt wird. Die Vorhersagegüte wird mittels einer Simulationsstudie untersucht. Zusätzlich wird eine Anleitung, wie solche Vorhersagen mittels des R Pakets “cSEM” durchgeführt werden können, gegeben. Diese wird anhand eines empirischen Beispiels demonstriert. In Kapitel 5 wird die konfirmatorische Kompositenanalyse für Forschung im Bereich von “Human Development” vorgestellt. Mittels konfirmatorischer Kompositenanalyse können Kompositenmodelle geschätzt und auch evaluiert werden. In diesem Kapitel wird die Henseler-Ogasawara Spezifikation für Kompositenmodelle verwendet, wodurch beispielsweise die Maximum Likelihood Methode zur Parameterschätzung verwendet werden kann. Da der auf der Henseler-Ogasawara Spezifikation basierende Maximum Likelihood Schätzer Nachteile aufweist, wird in Kapitel 6 eine andere Spezifikation des Kompositmodells vorgestellt, mit der Kompositenmodelle mit der Maximum Likelihood Methode geschätzt werden können. Die Ergebnisse dieses Maximum Likelihood Schätzers werden mit denen von PLS-PM verglichen und somit gezeigt, dass dieser Maximum Likelihood Schätzer auch in endlichen Stichproben valide Ergebnisse liefert. Das letzte Kapitel, Kapitel 7, gibt einen Überblick über die Entwicklung und die verschiedenen Stränge der kompositen-basierten Strukturgleichungsmodellierung. Darüber hinaus wird hier der Beitrag, den die vorangegangenen Kapitel zur weiteren Verbreitung kompositen-basierter Strukturgleichungsmodellierung leisten, aufgezeigt. KW - Structural Equation Modeling KW - Composites KW - Composite-based Structural Equation Modeling Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276794 SN - 978-90-365-5375-9 N1 - Die Dissertationen wurde im Rahmen einer Cotutelle Vereinbarung mit der University of Twente (The Netherlands) erstellt ER - TY - THES A1 - Duque, Laura Maria Ribeiro T1 - Effects of ozone on plants and plant-insect interactions T1 - Auswirkungen von Ozon auf Pflanzen und Pflanzen-Insekten-Interaktionen N2 - Anthropogenic activities are causing air pollution. Amongst air pollutants, tropospheric ozone is a major threat to human health and ecosystem functioning. In this dissertation, I present three studies that aimed at increasing our knowledge on how plant exposure to ozone affects its reproduction and its interactions with insect herbivores and pollinators. For this purpose, a new fumigation system was built and placed in a greenhouse. The annual plant Sinapis arvensis (wild mustard) was used as the model plant. Plants were exposed to either 0 ppb (control) or 120 ppb of ozone, for variable amounts of time and at different points of their life cycle. After fumigation, plants were exposed to herbivores or pollinators in the greenhouse, or to both groups of insects in the field. My research shows that ozone affected reproductive performance differently, depending on the timing of exposure: plants exposed at earlier ages had their reproductive fitness increased, while plants exposed later in their life cycle showed a tendency for reduced reproductive fitness. Plant phenology was a key factor influencing reproductive fitness: ozone accelerated flowering and increased the number of flowers produced by plants exposed at early ages, while plants exposed to ozone at later ages tended to have fewer flowers. On the other hand, the ozone-mediated changes in plant-insect interactions had little impact on plant reproductive success. The strongest effect of ozone on plant-pollinator interactions was the change in the number of flower visits received per plant, which was strongly linked to the number of open flowers. This means that, as a rule, exposure of plants to ozone early in the life cycle resulted in a higher number of pollinator visits, while exposure later in the life cycle resulted in fewer flower visits by potential pollinators. An exception was observed: the higher number of visits performed by large syrphid flies to young ozone-exposed plants than to the respective control plants went beyond the increase in the number of open flowers in those plants. Also, honeybees spent more time per flower in plants exposed to ozone than on control plants, while other pollinators spent similar amounts of time in control and ozone-exposed plants. This guild-dependent preference for ozone-exposed plants may be due to species-specific preferences related to changes in the quality and quantity of floral rewards. In the field, ozone-exposed plants showed only a tendency for increased colonization by sucking herbivores and slightly more damage by chewing herbivores than control plants. On the other hand, in the greenhouse experiment, Pieris brassicae butterflies preferred control plants over ozone-exposed plants as oviposition sites. Eggs laid on ozone-exposed plants took longer to hatch, but the chances of survival were higher. Caterpillars performed better in control plants than in ozone-exposed plants, particularly when the temperature was high. Most of the described effects were dependent on the duration and timing of the ozone exposure and the observed temperature, with the strongest effects being observed for longer exposures and higher temperatures. Furthermore, the timing of exposure altered the direction of the effects. The expected climate change provides ideal conditions for further increases in tropospheric ozone concentrations, therefore for stronger effects on plants and plant-insect interactions. Acceleration of flowering caused by plant exposure to ozone may put plant-pollinator interactions at risk by promoting desynchronization between plant and pollinator activities. Reduced performance of caterpillars feeding on ozone-exposed plants may weaken herbivore populations. On the other hand, the increased plant reproduction that results from exposing young plants to ozone may be a source of good news in the field of horticulture, when similar results would be achieved in high-value crops. However, plant response to ozone is highly species-specific. In fact, Sinapis arvensis is considered a weed and the advantage conferred by ozone exposure may increase its competitiveness, with negative consequences for crops or plant communities in general. Overall, plant exposure to ozone might constitute a threat for the balance of natural and agro-ecosystems. N2 - Viele anthropogene Aktivitäten verursachen Luftverschmutzung. Unter den Luftschadstoffen stellt das troposphärische Ozon eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit und das Funktionieren von Ökosystemen dar. In dieser Dissertation stelle ich drei Studien vor, die darauf abzielen, unser Wissen darüber zu erweitern, wie sich die Exposition von Pflanzen gegenüber Ozon auf ihre Fortpflanzung und ihre Wechselwirkungen mit pflanzenfressenden Insekten und Bestäubern auswirkt. Zu diesem Zweck wurde eine neue Begasungsanlage gebaut und in einem Gewächshaus aufgestellt. Die einjährige Pflanze Sinapis arvensis (Acker-Senf) wurde als Modellpflanze verwendet. Die Pflanzen wurden entweder 0 ppb (Kontrolle) oder 120 ppb Ozon ausgesetzt, und zwar über unterschiedliche Zeiträume und zu verschiedenen Zeitpunkten ihres Lebenszyklus. Nach der Begasung wurden die Pflanzen beider Gruppen im Gewächshaus Pflanzenfressern oder Bestäubern bzw. im Freiland beiden Insektengruppen ausgesetzt. Meine Forschung zeigt, dass Ozon die Fortpflanzungsleistung je nach Zeitpunkt der Exposition unterschiedlich beeinflusst: Bei Pflanzen, die in einem früheren Alter exponiert wurden, erhöhte sich die Fortpflanzungsfähigkeit, während Pflanzen, die später in ihrem Lebenszyklus exponiert wurden, tendenziell eine geringere Fortpflanzungsfähigkeit aufwiesen. Die Phänologie der Pflanzen war ein Schlüsselfaktor, der sich auf die reproduktive Fitness auswirkte: Ozon beschleunigte die Blüte und erhöhte die Anzahl der Blüten von Pflanzen, die in einem frühen Alter exponiert waren, während Pflanzen, die später exponiert wurden, tendenziell eine geringere Anzahl von Blüten aufwiesen. Andererseits hatten die Veränderungen bei den Interaktionen zwischen Pflanzen und Insekten nur geringe Auswirkungen auf den Reproduktionserfolg der Pflanzen. Die stärkste Auswirkung von Ozon auf die Interaktionen zwischen Pflanzen und Bestäubern war die Veränderung der Anzahl der Blütenbesuche pro Pflanze, die stark mit der Anzahl der geöffneten Blüten zusammenhing. Dies bedeutet, dass die Exposition von Pflanzen gegenüber Ozon zu Beginn des Lebenszyklus in der Regel zu einer höheren Anzahl von Bestäuberbesuchen führte, während die Exposition zu einem späteren Zeitpunkt des Lebenszyklus zu weniger Blütenbesuchen durch potenzielle Bestäuber führte. Eine Ausnahme wurde beobachtet: Die höhere Anzahl der Besuche von großen Syrphiden an jungen, ozonbelasteten Pflanzen im Vergleich zu den entsprechenden Kontrollpflanzen ging über die Zunahme der Anzahl offener Blüten an diesen Pflanzen hinaus. Auch Honigbienen verbrachten mehr Zeit pro Blüte an ozonbelasteten Pflanzen als an Kontrollpflanzen, während andere Bestäuber ähnlich viel Zeit an Kontroll- und ozonbelasteten Pflanzen verbrachten. Diese gildenspezifische Vorliebe für ozonbelastete Pflanzen könnte auf artspezifische Präferenzen zurückzuführen sein, die mit Veränderungen in der Qualität und Quantität der Blütenbelohnung zusammenhängen. Ozon-exponierte Pflanzen zeigten im Freiland eine tendenziell verstärkte Besiedelung durch saugende Herbivoren und etwas mehr Schäden durch kauende Herbivoren als Kontrollpflanzen. Im Gewächshausversuch hingegen bevorzugten die Schmetterlinge der Art Pieris brassicae die Kontrollpflanzen als Eiablageplätze. Die Eier, die auf ozonbelasteten Pflanzen abgelegt wurden, brauchten länger bis zum Schlüpfen, aber die Überlebenschancen waren höher. Die Raupen wachsen auf Kontrollpflanzen besser als auf ozonbelasteten Pflanzen, insbesondere bei hohen Temperaturen. Die meisten der beschriebenen Effekte hingen von der Dauer und dem Zeitpunkt der Ozonexposition und der beobachteten Temperatur ab, wobei die stärksten Effekte bei längerer Exposition und höheren Temperaturen beobachtet wurden. Außerdem veränderte der Zeitpunkt der Exposition die Richtung der Effekte. Der erwartete Klimawandel bietet ideale Bedingungen für einen weiteren Anstieg der troposphärischen Ozonkonzentrationen und damit für stärkere Auswirkungen auf Pflanzen und Pflanzen-Insekten-Interaktionen. Die Beschleunigung der Blüte, die durch den Kontakt von Pflanzen mit Ozon verursacht wird, kann die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bestäubern gefährden, da sie die Synchronität zwischen den Aktivitäten von Pflanzen und Bestäubern stört. Eine geringere Leistung von Raupen, die sich von ozonbelasteten Pflanzen ernähren, kann die Populationen von Pflanzenfressern schwächen. Andererseits kann die erhöhte Pflanzenreproduktion, die sich aus dem Kontakt junger Pflanzen mit Ozon ergibt, eine gute Nachricht für den Gartenbau sein, wenn ähnliche Ergebnisse bei hochwertigen Nutzpflanzen erzielt werden. Die Reaktion der Pflanzen auf Ozon ist jedoch sehr artspezifisch. Sinapis arvensis gilt als Unkraut, und der Vorteil, der sich aus der Ozonexposition ergibt, könnte seine Wettbewerbsfähigkeit erhöhen, was negative Folgen für die Kulturpflanzen oder Pflanzengemeinschaften im Allgemeinen hätte. Insgesamt könnte die Exposition von Pflanzen gegenüber Ozon eine Bedrohung für das Gleichgewicht von natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen darstellen. KW - Plant KW - Pollination KW - Pollinator KW - Herbivory KW - Herbivore KW - Ozone KW - Air pollution KW - Plant-insect interactions KW - Sinapis arvensis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277983 ER - TY - THES A1 - Kortum, Joshua T1 - Global Existence and Uniqueness Results for Nematic Liquid Crystal and Magnetoviscoelastic Flows T1 - Globale Existenz- und Eindeutigkeitsresultate für nematische Flüssigkristall- und magnetoviskoelastische Flüsse N2 - Liquid crystals and polymeric fluids are found in many technical applications with liquid crystal displays probably being the most prominent one. Ferromagnetic materials are well established in industrial and everyday use, e.g. as magnets in generators, transformers and hard drive disks. Among ferromagnetic materials, we find a subclass which undergoes deformations if an external magnetic field is applied. This effect is exploited in actuators, magnetoelastic sensors, and new fluid materials have been produced which retain their induced magnetization during the flow. A central issue consists of a proper modelling for those materials. Several models exist regarding liquid crystals and liquid crystal flows, but up to now, none of them has provided a full insight into all observed effects. On materials encompassing magnetic, elastic and perhaps even fluid dynamic effects, the mathematical literature seems sparse in terms of models. To some extent, one can unify the modeling of nematic liquid crystals and magnetoviscoelastic materials employing a so-called energetic variational approach. Using the least action principle from theoretical physics, the actual task reduces to finding appropriate energies describing the observed behavior. The procedure leads to systems of evolutionary partial differential equations, which are analyzed in this work. From the mathematical point of view, fundamental questions on existence, uniqueness and stability of solutions remain unsolved. Concerning the Ericksen-Leslie system modelling nematic liquid crystal flows, an approximation to this model is given by the so-called Ginzburg-Landau approximation. Solutions to the latter are intended to approximately represent solutions to the Ericksen-Leslie system. Indeed, we verify this presumption in two spatial dimensions. More precisely, it is shown that weak solutions of the Ginzburg-Landau approximation converge to solutions of the Ericksen-Leslie system in the energy space for all positive times of evolution. In order to do so, theory for the Euler equations invented by DiPerna and Majda on weak compactness and concentration measures is used. The second part of the work deals with a system of partial differential equations modelling magnetoviscoelastic fluids. We provide a well-posedness result in two spatial dimensions for large energies and large times. Along the verification of that conclusion, existing theory on the Ericksen-Leslie system and the harmonic map flow is deployed and suitably extended. N2 - Flüssigkristalle und polymere Flüssigkeiten finden sich in vielen technischen Anwendungen, wobei die Liquid Crystal Displays (kurz LCDs) wahrscheinlich die bekanntesten sind. Ebenso haben viele ferromagnetische Materialien Gebrauch in der Technologie gefunden, zum Beispiel als Generatoren, Transformatoren und Hard Drive Disks. Bei einigen ferromagnetischen Materialien führt die äußere Anwendung eines Magnetfeldes zu Verformungen. Dieser Effekt wird z. B. in Aktoren ausgenutzt und es wurden neue Flüssigkeiten gefunden, welche ihre eingangs induzierte Magnetisierung beibehalten. Bis heute besteht ein Problem darin, derartige Materialien korrekt zu modellieren. Für Flüssigkristalle und Flüssigkristallströmungen existieren mehrere Modelle, aber bisher hat keines von ihnen einen vollständigen Einblick in alle beobachteten Effekte liefern können. Zu Materialien, welche magnetischen, elastischen und vielleicht sogar fluiddynamischen Effekten unterliegen, ist die Literatur bezüglich der Modellierung auf mathematischer Seite eher spärlich. Bis zu einem gewissen Grad kann man die Modellierung von Flüssigkristallen und magnetoviskoelastischen Materialien durch einen Variationsansatz für das Wirkungsfunktional vereinheitlichen. Verwendet man das Prinzip der kleinsten Wirkung aus der theoretischen Physik, reduziert sich die eigentliche Aufgabe darauf, geeignete Energien zu finden, um das beobachtete Verhalten zu beschreiben. Das Verfahren führt zu Systemen zeitabhängiger partieller Differentialgleichungen, welche in dieser Arbeit betrachtet werden. Aus mathematischer Sicht bleiben grundsätzliche Fragen zu Existenz, Eindeutigkeit und Stabilität von Lösungen offen. Bezüglich des Ericksen-Leslie-Modells für nematische Flüssigkristalle ist eine Approximation dieses Modells durch die sogenannte Ginzburg-Landau-Näherung gegeben. In dieser Arbeit wird bewiesen, dass Lösungen des letzteren Modells gegen Lösungen des erstgenannten in zwei Raumdimensionen konvergieren. Präzi- se ausgedrückt wird gezeigt, dass schwache Lösungen des Ginzburg-Landau-Systems auf beliebig großen Zeitintervallen gegen Lösungen des Ericksen-Leslie-Systems konvergieren unter der Annahme, dass die Energie des physikalischen Systems beschränkt ist. Dazu wird die von DiPerna und Majda entwickelte Theorie für die Euler-Gleichungen zu Konzentrationen unter schwacher Konvergenz verwendet. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem System partieller Differentialgleichungen zur Modellierung magnetoviskoelastischer Flüssigkeiten. Wir zeigen, dass in zwei Raumdimensionen in gewissem Sinne ein wohlgestelltes Problem für beliebig große Energien und Zeiten vorliegt. Für den Beweis dieses Resultats verwenden und erweitern wir die bestehende Theorie zum Ericksen-Leslie-System und zum Wärmefluss harmonischer Abbildungen. KW - Magnetoelastizität KW - Mikromagnetismus KW - Flüssigkristall KW - Partielle Differentialgleichung KW - Schwache Kompaktheit KW - Magnetoviscoelastic Fluids KW - Nematic Liquid Crystals KW - Weak Solutions KW - Magnetoviskoelastische Flüsse KW - Nematische Flüssigkristalle KW - Schwache Lösungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-278271 ER - TY - THES A1 - Sbiera, Iuliu T1 - Possible role of epithelial to mesenchymal transition and its associated FGF/FGFR pathway in adrenocortical carcinoma T1 - Mögliche Rolle des epithelial-mesenchymalen Transition und des damit verbundenen FGF/FGFR-Signalwegs beim Nebennierenrindenkarzinom N2 - Recent studies have hinted to an involvement of epithelial to mesenchymal transition, a mechanism often associated with metastasis in epithelial cancers, in adrenocortical carcinoma. In addition, the knowledge about the FGF/FGFR pathway in pathogenesis of the adrenal gland, a pathway often associated with the epithelial to mesenchymal transition, is sparse and fragmented. We assessed, in a large number of normal, benign and malignant adrenocortical tissues (a total of 181 different samples), the expression of canonical and novel epithelial and mesenchymal markers and compared it with their expression in typical epithelial and mesenchymal tissues. In addition, we also quantified the expression of most members of the FGF/FGFR pathway in adrenocortical tissues and compared it against well-studied epithelial and mesenchymal tissues as well as between malignant and not malignant adrenocortical tissues, in order to assess the possible connection to epithelial to mesenchymal transition and find possible drug targets. Surprisingly, both normal and neoplastic adrenocortical tissues lacked expression of epithelial markers (e.g. E-Cadhering or EpCAM) but strongly expressed mesenchymal markers (e.g. N-Cadherin or SLUG), suggesting a higher similarity of adrenocortical tissues to mesenchymal compared to epithelial tissues, reminiscent of the adrenocortical origin from the intermediate mesoderm. Despite their ubiquitous expression in all adrenocortical tissues, mesenchymal markers had a variable expression in adrenocortical carcinoma, associating either directly or inversely with different clinical markers of tumor aggressiveness. Lymph node infiltration was associated with high expression of SLUG (p = 0.04), and at the same time low expression of N-cadherin (p = 0.001), and the same pattern was observed for venous infiltration of tumoral tissue, Weiss score of tumor malignancy or Ki67 proliferation marker. In malignant compared to benign adrenal tumors, we found significant differences in the expression of 16 out of the 94 studied FGF receptor pathway related genes. Genes involved in tissue differentiation and metastatic spread through epithelial to mesenchymal transition were most strongly altered. The therapeutically targetable FGF receptors 1 and 4 were upregulated 4.6- and 6-fold, respectively, in malignant compared to benign adrenocortical tumors, which was confirmed by using two different quantification methods in both frozen and paraffin embedded tissue material. High expression of FGFR1 and 4 was significantly associated with worse patient prognosis (High FGFR1 expression was associated with a shorter overall patient survival of 84 vs 148 months (HR=1.8, 95% CI: 1.01-3.25) as well as a shorter resection free survival of 25 vs 75 months ((HR=2.93, 95% CI: 1.25-6.84), while high FGFR4 was associated with a much shorter overall survival of 50 vs 155 months (HR=2.44, 95% CI: 1.41-4.22). In conclusion, epithelial to mesenchymal transition does not seem to play a role in adrenocortical carcinoma tumor progression, and the FGF/FGFR pathway, even if it is probably not related to EMT, is nonetheless associated with tumor aggressiveness. Furthermore, quantification of FGF receptors may enable a stratification of adrenocortical carcinoma for the use of FGFR inhibitors in future clinical trials. N2 - Jüngste Studien weisen auf eine Beteiligung der epithelial-mesenchymalen Transition, ein Mechanismus der oft mit Metastasen bei Epithelkarzinomen assoziiert ist, beim Nebennierenrindenkarzinom hin. Darüber hinaus gibt es kaum Kenntnisse über die Rolle des FGF/FGFR-Signalweges in der Pathogenese der Nebenniere, ein Signalweg, der oft mit der epithelial-mesenchymalen Transition in Verbindung gebracht wird. Wir haben hier an einer großen Anzahl von normalen, gutartigen und bösartigen Nebennierenrindengewebeproben (insgesamt 181 Proben) die Expression von kanonischen und anderen epithelialen und mesenchymalen Markern untersucht und mit ihrer Expression in typischen epithelialen und mesenchymalen Geweben verglichen. Darüber hinaus, haben wir auch die Expression der meisten Mitglieder des FGF/FGFR-Signalwegs in Nebennierenrindengeweben quantifiziert und mit gut definierten epithelialen und mesenchymalen Geweben verglichen sowie zwischen bösartigen und nicht bösartigen Nebennierenrindengeweben, um die mögliche Verbindung zu epithelialer-mesenchymaler Transition zu finden und mögliche therapeutische Ziele zu identifizieren. Überraschenderweise konnte weder in normalem noch in neoplastischem Nebennierenrindengewebe die Expression von epithelialen Markern (z. B. E-Cadherin oder EpCAM) nachgewiesen werden. In beiden Geweben wurde aber eine starke Expression mesenchymaler Marker (z. B. N-Cadherin oder SLUG) gefunden, was auf eine größere Ähnlichkeit von Nebennierenrindengeweben zu mesenchymalen im Vergleich zu epithelialen Geweben hindeutet. Dies könnte mit der Entwicklung des Nebennierenrinden-gewebes aus dem intermediären Mesoderm erklärt werden. Trotz ihrer ubiquitären Expression in allen Nebennierenrindengeweben, hatten mesenchymale Marker eine variable Expression in Nebennierenrindenkarzinomen, die entweder direkt oder indirekt mit verschiedenen klinischen Markern der Tumoraggressivität assoziiert waren. Die Lymphknoteninfiltration war mit einer hohen Expression von SLUG (p = 0,04) und einer niedrigen Expression von N-Cadherin (p = 0,001) verbunden. Das gleiche Muster wurde für die venöse Infiltration von Tumorgewebe, dem Weiss-Score oder dem Ki67-Proliferationsmarker beobachtet. Signifikante Unterschiede in der Expression von 16 der 94 untersuchten Gene, die mit dem FGF-Rezeptorsignalweg in Verbindung stehen, wurden beim Vergleich von bösartigen und gutartigen Nebennierentumoren gefunden. Gene, die an der Gewebedifferenzierung und Metastasierung durch epithelial-mesenchymale Transition beteiligt sind, waren dabei am stärksten verändert. Die therapeutisch relevante FGF-Rezeptoren 1 und 4 waren bei malignen im Vergleich zu gutartigen Nebennierenrindentumoren 4,6- bzw. 6,0-fach hochreguliert. Dies wurde durch Verwendung zweier unabhängiger Quantifizierungsmethoden sowohl in gefrorenem als auch in paraffineingebettetem Gewebematerial bestätigt. Eine hohe Expression von FGFR1 und 4 war signifikant mit einer schlechteren Prognose verbunden. Eine hohe FGFR1-Expression war mit einem kürzeren Gesamtüberleben der Patienten von 84 vs. 148 Monaten (HR = 1,8; 95%CI: 1,01-3,25) sowie einem kürzeren resektions-freien Überleben von 25 vs. 75 Monaten (HR = 2,93; 95%CI: 1,25-6,84) verbunden, während eine höhere FGFR4-Expression mit einem viel kürzeren Gesamtüberleben von 50 vs. 155 Monaten assoziiert war (HR = 2,44; 95%CI: 1,41-4.22)). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Mechanismus der epithelial-mesenchymalen Transition keine Rolle bei der Tumorprogression des Nebennierenrindenkarzinoms zu spielen schein. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass der FGF/FGFR-Signalweg, auch wenn er wahrscheinlich nicht mit der EMT zusammenhängt, mit der Aggressivität der Tumoren assoziiert. Die Untersuchung der Expression der FGF-Rezeptoren könnte für die Stratifizierung des Nebennierenrindenkarzinoms, zwecks Verwendung von FGFR-Inhibitoren in zukünftigen klinischen Studien, benutzt werden. KW - Nebennierenrindenkrebs KW - Fibroblastenwachstumsfaktor KW - adrenocortical carcinoma KW - epithelial to mesenchymal transition KW - fibroblast growth factors Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277454 ER - TY - THES A1 - Griebel, Matthias T1 - Applied Deep Learning: from Data to Deployment T1 - Deep Learning in der Praxis: von der Datenerhebung bis zum Einsatz N2 - Novel deep learning (DL) architectures, better data availability, and a significant increase in computing power have enabled scientists to solve problems that were considered unassailable for many years. A case in point is the “protein folding problem“, a 50-year-old grand challenge in biology that was recently solved by the DL-system AlphaFold. Other examples comprise the development of large DL-based language models that, for instance, generate newspaper articles that hardly differ from those written by humans. However, developing unbiased, reliable, and accurate DL models for various practical applications remains a major challenge - and many promising DL projects get stuck in the piloting stage, never to be completed. In light of these observations, this thesis investigates the practical challenges encountered throughout the life cycle of DL projects and proposes solutions to develop and deploy rigorous DL models. The first part of the thesis is concerned with prototyping DL solutions in different domains. First, we conceptualize guidelines for applied image recognition and showcase their application in a biomedical research project. Next, we illustrate the bottom-up development of a DL backend for an augmented intelligence system in the manufacturing sector. We then turn to the fashion domain and present an artificial curation system for individual fashion outfit recommendations that leverages DL techniques and unstructured data from social media and fashion blogs. After that, we showcase how DL solutions can assist fashion designers in the creative process. Finally, we present our award-winning DL solution for the segmentation of glomeruli in human kidney tissue images that was developed for the Kaggle data science competition HuBMAP - Hacking the Kidney. The second part continues the development path of the biomedical research project beyond the prototyping stage. Using data from five laboratories, we show that ground truth estimation from multiple human annotators and training of DL model ensembles help to establish objectivity, reliability, and validity in DL-based bioimage analyses. In the third part, we present deepflash2, a DL solution that addresses the typical challenges encountered during training, evaluation, and application of DL models in bioimaging. The tool facilitates the objective and reliable segmentation of ambiguous bioimages through multi-expert annotations and integrated quality assurance. It is embedded in an easy-to-use graphical user interface and offers best-in-class predictive performance for semantic and instance segmentation under economical usage of computational resources. N2 - Die Entwicklung neuer Deep Learning (DL) Architekturen, flankiert durch eine bessere Datenverfügbarkeit und eine enorme Steigerung der Rechenleistung, ermöglicht Wissenschaftler:innen die Lösung von Problemen, die lange Zeit als unlösbar galten. Ein Paradebeispiel hierfür ist das 50 Jahre alte „Proteinfaltungsproblem“ in der Biologie, das vor Kurzem duch das DL-System AlphaFold gelöst wurde. Andere Beispiele sind moderne, DL-basierte Sprachmodelle. Diese können unter anderem Zeitungsartikel verfassen, die nur schwer von Artikeln menschlicher Autoren:innen unterscheidbar sind. Die Entwicklung unvoreingenommener, zuverlässiger und präziser DL-Modelle für die praktische Anwendung bleibt jedoch eine große Herausforderung. Dies wird an zahlreichen vielversprechenden DL-Projekten sichtbar, die nicht über die Pilotphase herauskommen. Vor diesem Hintergrund untersuche ich in dieser Dissertation die Herausforderungen, die während des Lebenszyklus von DL-Projekten auftreten, und schlage Lösungen für die Entwicklung und den Einsatz verlässlicher DL-Modelle vor. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit dem Prototyping von DL-Lösungen für verschiedene Anwendungsgebiete. Zunächst werden Richtlinien für die angewandte Bilderkennung konzipiert und deren Anwendung in einem biomedizinischen Forschungsprojekt gezeigt. Dem folgt die Darstellung einer Bottom-up-Entwicklung eines DL-Backends für ein Augmented-Intelligence-System im Fertigungssektor. Im Anschluss wird der Entwurf eines künstlichen Fashion-Curation-Systems für individuelle Outfit-Empfehlungen vorgestellt, das DL-Techniken und unstrukturierte Daten aus sozialen Medien und Modeblogs nutzt. Es folgt ein Abschnitt darüber, wie DL-Lösungen Modedesigner:innen im kreativen Prozess unterstützen können. Schließlich stelle ich meine prämierte DL-Lösung für die Segmentierung von Glomeruli in menschlichen Nierengewebe-Bildern vor, die für den Kaggle Data Science-Wettbewerb HuBMAP - Hacking the Kidney entwickelt wurde. Im zweiten Teil wird der Entwicklungspfad des biomedizinischen Forschungsprojekts über das Prototyping-Stadium hinaus fortgesetzt. Anhand von Daten aus fünf Laboren wird gezeigt, dass die Schätzung einer Ground-Truth durch die Annotationen mehrerer Experten:innen und das Training von DL-Modell-Ensembles dazu beiträgt, Objektivität, Zuverlässigkeit und Validität in DL-basierten Analysen von Mikroskopie-Bildern zu manifestieren. Im dritten Teil der Dissertation stelle ich die DL-Lösung deepflash2 vor, welche die typischen Herausforderungen beim Training, der Evaluation und der Anwendung von DL-Modellen in der biologischen Bildgebung adressiert. Das Tool erleichtert die objektive und zuverlässige Segmentierung von mehrdeutigen Mikroskopie-Bildern durch die Integration von Annotationen mehrerer Experten:innen und integrierte Qualitätssicherung. KW - artificial intelligence KW - deep learning KW - bioimage analysis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277650 ER - TY - THES A1 - Schmitt, Norbert T1 - Measurement, Modeling, and Emulation of Power Consumption of Distributed Systems T1 - Messung, Modellierung und Emulation des Stromverbrauchs von verteilten Systemen N2 - Today’s cloud data centers consume an enormous amount of energy, and energy consumption will rise in the future. An estimate from 2012 found that data centers consume about 30 billion watts of power, resulting in about 263TWh of energy usage per year. The energy consumption will rise to 1929TWh until 2030. This projected rise in energy demand is fueled by a growing number of services deployed in the cloud. 50% of enterprise workloads have been migrated to the cloud in the last decade so far. Additionally, an increasing number of devices are using the cloud to provide functionalities and enable data centers to grow. Estimates say more than 75 billion IoT devices will be in use by 2025. The growing energy demand also increases the amount of CO2 emissions. Assuming a CO2-intensity of 200g CO2 per kWh will get us close to 227 billion tons of CO2. This emission is more than the emissions of all energy-producing power plants in Germany in 2020. However, data centers consume energy because they respond to service requests that are fulfilled through computing resources. Hence, it is not the users and devices that consume the energy in the data center but the software that controls the hardware. While the hardware is physically consuming energy, it is not always responsible for wasting energy. The software itself plays a vital role in reducing the energy consumption and CO2 emissions of data centers. The scenario of our thesis is, therefore, focused on software development. Nevertheless, we must first show developers that software contributes to energy consumption by providing evidence of its influence. The second step is to provide methods to assess an application’s power consumption during different phases of the development process and to allow modern DevOps and agile development methods. We, therefore, need to have an automatic selection of system-level energy-consumption models that can accommodate rapid changes in the source code and application-level models allowing developers to locate power-consuming software parts for constant improvements. Afterward, we need emulation to assess the energy efficiency before the actual deployment. N2 - Die heutigen Cloud-Rechenzentren verbrauchen eine enorme Menge an Energie, und der Energieverbrauch wird in Zukunft noch steigen. Eine Schätzung aus dem Jahr 2012 ergab, dass Rechenzentren etwa 30 Milliarden Watt Strom verbrauchen, was einem Energieverbrauch von etwa 263TWh pro Jahr entspricht. Der Energieverbrauch wird bis zum Jahr 2030 auf 1929TWh ansteigen. Dieser prognostizierte Anstieg des Energiebedarfs wird durch die wachsende Zahl der in der Cloud bereitgestellten Dienste angeheizt. In den letzten zehn Jahren wurden bereits 50% der Arbeitslasten in Unternehmen in die Cloud verlagert. Außerdem nutzen immer mehr Geräte die Cloud, um Funktionen bereitzustellen und das Wachstum von Rechenzentren zu ermöglichen. Schätzungen zufolge werden bis 2025 mehr als 75 Milliarden IoT-Geräte im Einsatz sein. Der wachsende Energiebedarf erhöht auch die Menge der CO2-Emissionen. Geht man von einer CO2-Intensität von 200g CO2 pro kWh in einem eher optimistischen Szenario aus, kommen wir auf fast 227 Milliarden Tonnen CO2. Dieser Ausstoß ist mehr CO2 als die Emissionen aller energieerzeugenden Kraftwerke in Deutschland im Jahr 2020. Rechenzentren verbrauchen jedoch Energie, weil sie auf Serviceanfragen reagieren, die durch Rechenressourcen erfüllt werden. Es sind also nicht die Benutzer und Geräte, die in einem Rechenzentrum Energie verbrauchen, sondern die Software, die die Hardware steuert. Obwohl die Hardware physisch Energie verbraucht, ist sie nicht immer für die Energieverschwendung verantwortlich. Die Software selbst spielt eine wichtige Rolle bei der Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen von Rechenzentren. Das Szenario unserer Arbeit konzentriert sich daher auf die Softwareentwicklung. Dennoch müssen wir die Entwickler zunächst darauf hinweisen, dass die Software zum Energieverbrauch beiträgt, indem wir ihren Einfluss nachweisen. Der zweite Schritt ist die Bereitstellung von Methoden zur Bewertung des Energieverbrauchs einer Anwendung in den verschiedenen Phasen des Entwicklungsprozesses, um moderne DevOps und agile Entwicklungsmethoden zu ermöglichen. Wir brauchen daher eine automatische Auswahl von Energieverbrauchsmodellen auf Systemebene, die schnelle Änderungen im Quellcode berücksichtigen können, und Modelle auf Anwendungsebene, die es den Entwicklern ermöglichen, stromverbrauchende Softwareteile für ständige Verbesserungen zu lokalisieren. Danach benötigen wir eine Emulation, um die Energieeffizienz vor dem eigentlichen Einsatz zu bewerten KW - Leistungsbedarf KW - Energieeffizienz KW - Cloud Computing KW - Rechenzentrum KW - Modellierung KW - Power Consumption KW - Energy Efficiency KW - Cloud KW - Distributed System KW - Modeling Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276582 ER - TY - THES A1 - Kayisoglu-Kaya, Özge T1 - Analysis of gastrointestinal epithelial innate immune barrier using human and murine organoids as a model T1 - Analyse der Gastrointestinalen angeborenen Immunbarriere durch Humane und Murine Organoide als Modell N2 - The epithelial layer of the gastrointestinal (GI) tract provides a barrier between the environment and the body. Dysfunction of the epithelium, including changes of the innate immune response facilitated by pattern recognition receptors (PRRs), plays a major role in the development of GI disorders. However, the organization of innate immune sensing, the expression and activity of PRRs and the factors contri¬buting to such possible organization along the GI tract are unclear. In recent years, stem cell-derived organoids gained increasing attention as promising tissue models. Here, a biobank of human and murine organoids comprising three lines from each GI segment; corpus, pylorus, duodenum, jejunum, ileum, colon was generated. RNA sequencing of 42 lines confirmed the preservation of tissue identity and revealed an extensive organization of innate immune signaling components along the cephalocaudal axis, giving each segment a specific innate immune profile. Comple-menting the region-specific expression analysis, several PRRs in human and murine organoids showed region- and species-specific function. To investigate the factors contributing to the patterning of innate immunity in the GI tract, the impact of microbial components was analyzed using murine embryo-derived, never colonized gastric and proximal intestinal organoids. Transcriptional profiling of embryo-derived organoids showed that while expression of some PRRs may depend on environmental cues as expected, an unexpectedly large part of segment-specific expression of PRR signaling components is independent of prior contact with microbial products. Further, analysis of published RNA-seq data as well as in vitro experiments using directed differentiation of organoids into specific cell types showed that expression of innate immune gene also depended on cellular differentiation along the crypt-villus axis. This underlined the importance of cellular differentiation rather than contact to microbial compounds for expression of PRRs. Lastly, analysis of published datasets of RNA-seq and ATAC-seq after knockout of the intestinal transcription factor Cdx2 demonstrated that Cdx2 is likely important for the expression of Nlrp6 and Naip1 in the murine intestine. Future experiments have to support these preliminary findings. Taken together, the expression of a large part of epithelial innate immunity is develop¬mentally defined and conserved in tissue-resident stem cells. The identification of mechanisms governing expression of genes related to immunity will provide further insights into the mechanisms that play a role in the progress of inflammatory diseases. N2 - Das Epithel des gastrointestinalen (GI) Traktes fungiert als Barriere zwischen der Umwelt und dem Körperinneren. Störungen des Epithels, darunter Veränderungen in der angeborenen Immunantwort, welche über „Pattern Recognition Receptors“(PRRs) ermöglicht wird, spielen eine bedeutende Rolle in der Entstehung gastrointestinaler Krankheiten. Auf welche Weise die angeborene Immunantwort im gastrointestinalen Trakt zwischen symbiotischen und schädlichen Mikroben unterscheidet, wie die Expression und Aktivität von PRRs organisiert sind, und die Faktoren die zu einer möglichen Organization beitragen sind bisher allerdings nicht bekannt. In den letzten Jahren haben aus Stammzellen gewonnene Organoide als vielversprechende Gewebemodelle steigende Aufmerksamkeit erregt. In dieser Arbeit wurde eine „Biobank“ humaner und muriner Organoide, jeweils bestehend aus 3 Linien jedes der gastrointestinalen Segmente Korpus, Pylorus, Duodenum, Jejunum, Ileum und Kolon generiert. Die RNA Sequenzierung von 42 Linien bestätigte den Erhalt der Gewebsidentität und zeigte eine umfangreiche Organization innerhalb der Signalkomponenten des angeborenen Immunsystems entlang der kraniokaudalen Achse, wodurch jedes Segment ein spezifisches Immunprofil erhält. Ergänzend zur regions-spezifischen Expressionsanalyse zeigten einige PRRs sowohl in humanen als auch in murinen Organoiden eine regions- und spezies-spezifische Funktion. Zur Untersuchung der Faktoren, die zur Strukturierung des angeborenen Immunsystems im GI-Trakt beitragen, wurde der Einfluss mikrobieller Komponenten untersucht. Hierfür wurden aus embryonalem Gewebe gewonnene Organoide des Magens und des proximalen Dünndarms verwendet, welche noch nicht mit dem Mikrobiom in Kontakt waren. Transkriptionsprofile embryonaler Organoide zeigten, dass die Expression einiger PRRs wie erwartet wahrscheinlich von Umweltfaktoren abhängt, dass ein unerwartet großer Anteil der segment-spezifischen Expression von Komponenten der PRR-induzierten Signalwege sich allerdings unabhängig vom Kontakt mit mikrobiellen Komponenten entwickelt. Des Weiteren zeigte die Analyse von bereits publizierten RNA Sequenzierungsdaten und in vitro Experimenten bei denen durch gezielte Differenzierung von Organoiden spezifische Zelltypen generiert wurden, dass die Expression von Genen des angeborenen Immunsystems auch von der zellulären Differenzierung entlang der Krypten-Zotten-Achse abhängt. Dies unterstreicht die Bedeutung von zellulärer Differenzierung für die Expression von PRRs, anstelle des Kontaktes zu mikrobiellen Komponenten. Auch konnte durch die Analyse bereits publizierter RNA- und ATAC-Sequenzierungsdaten nach knockout des im Dünndarm exprimierten Transkriptionsfaktors Cdx2 nachgewiesen werden, dass Cdx2 mit hoher Wahrscheinlichkeit wichtig für die Expression von Nlrp6 und Naip1 im murinen Dünndarm ist. Diese Erkenntnisse müssen in zukünftigen Experimenten validiert werden. Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass die Expression eines Großteils der angeborenen Immunität entwicklungsbiologisch festgelegt und in gewebe-spezifischen Stammzellen konserviert ist. Die zukünftige Identifikation von Mechanismen die die Expression von zur Immunität zugehörigen Genen steuern, wird weitere Erkenntnisse über die Mechanismen die eine Rolle in der Entwicklung entzündlicher Erkrankungen spielen bringen. KW - Organoid KW - Angeborene Immunität KW - Mustererkennungsrezeptoren KW - Gastrointestinaltrakt KW - Epithel KW - Organoids KW - Innate immunity KW - Pattern recognition receptors KW - Gastrointestinal tract KW - Epithelial layer Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277497 ER - TY - JOUR A1 - Pfister, Roland A1 - Foerster, Anna T1 - How to measure post-error slowing: The case of pre-error speeding JF - Behavior Research Methods N2 - Post-error slowing is one of the most widely employed measures to study cognitive and behavioral consequences of error commission. Several methods have been proposed to quantify the post-error slowing effect, and we discuss two main methods: The traditional method of comparing response times in correct post-error trials to response times of correct trials that follow another correct trial, and a more recent proposal of comparing response times in correct post-error trials to the corresponding correct pre-error trials. Based on thorough re-analyses of two datasets, we argue that the latter method provides an inflated estimate by also capturing the (partially) independent effect of pre-error speeding. We propose two solutions for improving the assessment of human error processing, both of which highlight the importance of distinguishing between initial pre-error speeding and later post-error slowing. KW - response-time analysis KW - post-error slowing KW - pre-error speeding KW - performance monitoring Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273244 SN - 1554-3528 VL - 54 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Breil, Christina A1 - Huestegge, Lynn A1 - Böckler, Anne T1 - From eye to arrow: Attention capture by direct gaze requires more than just the eyes JF - Attention, Perception & Psychophysics N2 - Human attention is strongly attracted by direct gaze and sudden onset motion. The sudden direct-gaze effect refers to the processing advantage for targets appearing on peripheral faces that suddenly establish eye contact. Here, we investigate the necessity of social information for attention capture by (sudden onset) ostensive cues. Six experiments involving 204 participants applied (1) naturalistic faces, (2) arrows, (3) schematic eyes, (4) naturalistic eyes, or schematic facial configurations (5) without or (6) with head turn to an attention-capture paradigm. Trials started with two stimuli oriented towards the observer and two stimuli pointing into the periphery. Simultaneous to target presentation, one direct stimulus changed to averted and one averted stimulus changed to direct, yielding a 2 × 2 factorial design with direction and motion cues being absent or present. We replicated the (sudden) direct-gaze effect for photographic faces, but found no corresponding effects in Experiments 2-6. Hence, a holistic and socially meaningful facial context seems vital for attention capture by direct gaze. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: The present study highlights the significance of context information for social attention. Our findings demonstrate that the direct-gaze effect, that is, the prioritization of direct gaze over averted gaze, critically relies on the presentation of a meaningful holistic and naturalistic facial context. This pattern of results is evidence in favor of early effects of surrounding social information on attention capture by direct gaze. KW - social interaction KW - social cognition KW - attention capture KW - direct gaze KW - social cues KW - face perception Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273206 SN - 1943-393X VL - 84 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Barth, Dominik T1 - Computation of multi-branch-point covers and applications in Galois theory T1 - Berechnung von Mehrpunktüberlagerungen und Anwendungen in der Galoistheorie N2 - We present a technique for computing multi-branch-point covers with prescribed ramification and demonstrate the applicability of our method in relatively large degrees by computing several families of polynomials with symplectic and linear Galois groups. As a first application, we present polynomials over \(\mathbb{Q}(\alpha,t)\) for the primitive rank-3 groups \(PSp_4(3)\) and \(PSp_4(3).C_2\) of degree 27 and for the 2-transitive group \(PSp_6(2)\) in its actions on 28 and 36 points, respectively. Moreover, the degree-28 polynomial for \(PSp_6(2)\) admits infinitely many totally real specializations. Next, we present the first (to the best of our knowledge) explicit polynomials for the 2-transitive linear groups \(PSL_4(3)\) and \(PGL_4(3)\) of degree 40, and the imprimitive group \(Aut(PGL_4(3))\) of degree 80. Additionally, we negatively answer a question by König whether there exists a degree-63 rational function with rational coefficients and monodromy group \(PSL_6(2)\) ramified over at least four points. This is achieved due to the explicit computation of the corresponding hyperelliptic genus-3 Hurwitz curve parameterizing this family, followed by a search for rational points on it. As a byproduct of our calculations we obtain the first explicit \(Aut(PSL_6(2))\)-realizations over \(\mathbb{Q}(t)\). At last, we present a technique by Elkies for bounding the transitivity degree of Galois groups. This provides an alternative way to verify the Galois groups from the previous chapters and also yields a proof that the monodromy group of a degree-276 cover computed by Monien is isomorphic to the sporadic 2-transitive Conway group \(Co_3\). N2 - Wir stellen eine Technik zur Berechnung von Mehrpunktüberlagerungen mit vorgeschriebener Verzweigung vor und demonstrieren die Anwendbarkeit unserer Methode in relativ großen Graden durch die Berechnung mehrerer Familien von Polynomen mit symplektischen und linearen Galoisgruppen. Als erste Anwendung präsentieren wir Polynome über \(\mathbb{Q}(\alpha,t)\) für die primitiven Rang-3-Gruppen \(PSp_4(3)\) und \(PSp_4(3).C_2\) vom Grad 27 und für die 2-fach transitive Gruppe \(PSp_6(2)\) in ihren Operationen auf 28 bzw. 36 Punkten. Außerdem lässt das Polynom vom Grad 28 für \(PSp_6(2)\) unendlich viele total-reelle Spezialisierungen zu. Als Nächstes präsentieren wir die (unseres Wissens nach) ersten expliziten Polynome für die 2-fach transitiven linearen Gruppen \(PSL_4(3)\) und \(PGL_4(3)\) vom Grad 40 und die imprimitive Gruppe \(Aut(PGL_4(3))\) vom Grad 80. Zusätzlich geben wir eine negative Antwort auf die Frage von König, ob es eine rationale Funktion vom Grad 63 mit rationalen Koeffizienten gibt, die über mindestens vier Punkten verzweigt ist und Monodromiegruppe \(PSL_6(2)\) besitzt. Dies wird durch die explizite Berechnung der entsprechenden hyperelliptischen Geschlecht-3 Hurwitzkurve erreicht, die diese Familie parametrisiert, gefolgt von einer Suche nach rationalen Punkten auf ihr. Als Nebenprodukt unserer Berechnungen erhalten wir die ersten expliziten \(Aut(PSL_6(2))\)-Realisierungen über \(\mathbb{Q}(t)\). Schließlich stellen wir eine Technik von Elkies zur Beschränkung des Transitivitätsgrades von Galoisgruppen vor. Diese bietet einen alternativen Weg, die Galoisgruppen aus den vorherigen Kapiteln zu verifizieren und liefert auch einen Beweis dafür, dass die Monodromiegruppe einer von Monien berechneten Grad-276 Überlagerung isomorph zur sporadischen 2-fach transitiven Conway-Gruppe \(Co_3\) ist. KW - Galois-Theorie KW - Hurwitz-Raum KW - Monodromie KW - Überlagerung KW - Belyi map Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277025 ER - TY - THES A1 - Kißner, Katharina T1 - Manipulation of electronic properties in strongly correlated Cerium-based surface alloys T1 - Manipulation der elektronischen Eigenschaften in stark korrelierten Cer-basierten Oberflächenlegierungen N2 - Photoelectron spectroscopy proves as a versatile tool for investigating various aspects of the electronic structure in strongly correlated electron systems. Influencing the manifestation of strong correlation in Ce-based surface alloys is the main task of this work. It is shown, that the manifestation of the Kondo ground state is influenced by a multitude of parameters such as the choice of the metal binding partner in binary Ce compounds, the surface alloy layer thickness and accompanying variations in the lattice structure as well as the interfaces to substrate or vacuum. Gaining access to these parameters allows to directly influence essential state variables, such as the f level occupancy nf or the Kondo temperature TK. The center of this work are the intermetallic thin films of CePt5/Pt(111) and CeAgx/Ag(111). By utilizing different excitation energies, photoemission spectroscopy provides access to characteristic features of Kondo physics in the valence band, such as the Kondo resonance and its spin-orbit partner at the Fermi level, as well as the multiplet structure of the Ce 3d core levels. In this work both approaches are applied to CePt5/Pt(111) to determine nf and TK for a variety of surface alloy layer thicknesses. A temperature dependent study of the Ce 3d core levels allows to determine the systems TK for the different layer thicknesses. This leads to TK ≈200–270K in the thin layer thickness regime and TK >280K for larger layer thicknesses. These results are confirmed by fitting the Ce 3d multiplet based on the Gunnarsson-Schönhammer formalism for core level spectroscopy and additionally by valence band photoemission spectra of the respective Kondo resonances. The influence of varying layer thickness on the manifestation of strong correlation is subsequently studied for the surface alloy CeAgx/Ag(111). Furthermore, the heavy element Bi is added, to investigate the effects of strong spin-orbit coupling on the electronic structure of the surface alloy. N2 - Photoelektronenspektroskopie eignet sich auf vielerlei Weise verschiedenste Aspekte der elektronischen Struktur stark korrelierter Elektronensysteme zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie gezielt Einfluss auf die Ausprägung starker Korrelation in Cer-basierten Oberflächenlegierungen genommen werden kann. Die Ausbildung des Kondo-Grundzustandes wird dabei durch eine Vielzahl von Parametern beeinfluss. Diese sind beispielsweise der metallische Bindungspartner, die Schichtdicke der Legierung und die dadurch bedingten Änderungen der Gitterstruktur sowie die Grenzen zu Substrat oder Vakuum. Durch Kontrolle dieser Parameter hat man die Möglichkeit, entscheidende Zustandsgrößen des Systems, wie die effektive Besetzung des f-Niveaus nf oder die Kondo-Temperatur TK, zu beeinflussen. Im Zentrum dieser Arbeit stehen dabei die intermetallischen Verbindungen CePt5/Pt(111) und CeAgx/Ag(111). Verschiedene Anregungsenergien bieten in der Photoemission Zugang zu den Merkmalen des Kondo-Effekts im Valenzband, aber auch in den Rumpfniveauspektren. Diese sind die Kondo-Resonanz und ihr Spin-Bahn-Partner nahe der Fermienergie sowie die Multiplettstruktur der Ce 3d Rumpfniveaus. Es werden beide Ansätze verfolgt um, für eine Reihe verschiedener Schichtdicken von CePt5/Pt(111), nf und TK zu bestimmen. Die Auswertung der Ce 3d-Spektren in Abhängigkeit der Probentemperatur ermöglicht zudem die Bestimmung von TK. Für dünne Schichten CePt5/Pt(111) ergibt sich TK≈200–270K, für dickere Schichten TK>280K. Diese Ergebnisse wurden durch Simulation der Spektren auf Basis des Gunnarsson-Schönhammer-Formalismus für Rumpfniveauspektren sowie durch Analyse der Kondo-Resonanz im Valenzband bestätigt. Durch Variation der Schichtdicke des CeAgx-Films, wurde auch im Materialsystem CeAgx/Ag(111) Einfluss auf die elektronische Struktur genommen. Zudem wird die Oberflächenlegierung mit dem schweren Element Bi versetzt, um das Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplung und starker Korrelation zu untersuchen. KW - Korrelation KW - Cerlegierung KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie KW - Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie KW - correlation KW - CePt5 KW - XPS KW - Gunnarsson Schönhammer KW - Kondo KW - Oberflächenlegierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273067 ER - TY - THES A1 - Seifert, Annika Kristina T1 - Unidirectional freezing of soft and hard matter for biomedical applications T1 - Unidirektionales Gefrieren von weichen und harten Materialien für biomedizinische Anwendungen N2 - A multitude of human tissues, such as bones, tendons, or muscles, are characterized by a hierarchical and highly ordered structure. In many cases, the loss of these tissues requires reconstruction using biocompatible replacement materials. In the field of bone replacement, the pore structure of the material has a crucial influence. Anisotropic porosity would have the advantage of facilitating the ingrowth of cells and newly formed blood vessels as well as the transport of nutrients. In this thesis, scaffolds with a highly ordered and anisotropic pore structure were fabricated using unidirectional freezing. Systematic investigations were carried out on biopolymer solutions (alginate and chitosan) to gain a deeper understanding of the freeze-structuring process. The knowledge gained was then applied to the development of anisotropically structured bone substitute materials. Here, the previously existing material platform for anisotropically structured calcium phosphates was extended to low-temperature phases such as calcium deficient hydroxyapatite (CDHA) or the secondary phosphates monetite and brushite. After the implantation of a biomaterial, the inevitably triggered initial immune response plays a key role in the success of a graft, with immune cells such as neutrophils or macrophages being of particular importance. In this thesis, the influence of anisotropically structured alpha-TCP and CDHA scaffolds as well as their unstructured references on human monocytes/macrophages was investigated. Macrophages produced extracellular traps (ETs) due to mineral nanoparticles formed by the binding of phosphate and calcium ions to human platelet lysate. In particular, incubation of alpha-TCP samples in lysate containing cell culture medium resulted in pronounced particle formation and enhanced release of ETs. N2 - Eine Vielzahl menschlicher Gewebe, wie beispielsweise Knochen, Sehnen oder Muskeln, ist durch eine hierarchische und zum Teil hochgradig geordnete Struktur gekennzeichnet. Der beispielsweise durch Unfälle oder Krankheiten bedingte Verlust dieser Gewebe erfordert in vielen Fällen eine Rekonstruktion mit biokompatiblen Ersatzmaterialien. Neben der chemischen Zusammensetzung spielt deren Architektur eine wichtige Rolle für die Geweberegeneration und schließlich den Heilungserfolg des Implantats. Auch im Bereich des Knochenersatzes hat die Porenstruktur des Materials hierauf einen zentralen Einfluss, wobei der Einsatz von Materialien mit anisotroper Porosität neben der strukturellen Nachahmung des Gewebes den Vorteil hätte, dass das Einwachsen von Zellen und neu gebildeten Blutgefäßen sowie der Nährstofftransport erleichtert würden. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden anisotrop poröse Scaffolds mit einer hochgradig geordneten Porenstruktur mit Hilfe der Gefrierstrukturierung hergestellt. Hierfür wurde eine in früheren Arbeiten entwickelte Anlage verwendet, um einen definierten Temperaturgradienten in der Probe zur gerichteten Erstarrung zu erzeugen. Der Kern des Systems besteht aus zwei übereinander angeordneten Peltier-Elemente (PEs), zwischen denen sich die Probenlösung befindet. Durch die Variation der PE-Temperaturen kann das Eiskristallwachstum und schließlich die Porenstruktur innerhalb des Biomaterials gezielt beeinflusst und an die Anforderungen einer gewünschten Anwendung angepasst werden. Das Ziel dieser Arbeit war, ein tieferes Verständnis des Gefrierstrukturierungsprozesses zu erlangen und die gewonnenen Erkenntnisse auf die Entwicklung anisotrop poröser Knochenersatzmaterialien zu übertragen. Hierfür wurden in Kapitel 3 zunächst systematische Untersuchungen an Biopolymerlösungen (Alginat und Chitosan) durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass neben dem äußeren Temperaturgradienten auch die Temperaturen der PEs, die Kühlrate sowie Materialeigenschaften wie das Molekulargewicht, die Konzentration und die Viskosität der Lösung die Porenstruktur beeinflussen. Die Temperatur des Gesamtsystems bestimmte sowohl die Kühlrate als auch die Porendurchmesser, so dass höhere Kühlraten zu kleineren Poren führten. Die Porenorientierung konnte hingegen durch den externen Temperaturgradienten beeinflusst werden, wobei die Poren mit steigendem Gradienten zunehmend senkrecht zur Probenoberfläche orientiert ausgerichtet waren. Bestimmte Parameterkonstellationen, wie beispielsweise eine Temperatur der unteren Kühlfläche unterhalb von 60 °C kombiniert mit einer geringen Temperatur des oberen PE sowie eine hohe Viskosität (über 5 Pas nahe 0 °C) der Vorlösung führten allerdings dazu, dass die Porenausrichtung nicht mehr kontrollierbar war. Auf Basis von Kapitel 4 konnte die bis dato für anisotrop strukturierte Calciumphosphate existierende Materialplattform auf Niedrigtemperaturphasen wie calciumarmen Hydroxylapatit (CDHA) oder die sekundären Phosphate Monetit und Bruschit erweitert werden. Hierfür wurde gesintertes oder ungesintertes -Tricalciumphosphat (-TCP) mit anisotroper Porenstruktur durch hydrothermale Behandlung oder Inkubation in Phosphorsäure in die oben genannten Phasen umgewandelt. Durch die hydrothermale Behandlung konnte sowohl bei ungesinterten als auch bei gesinterten -TCP-Proben eine Phasenumwandlung in CDHA erzielt werden. Die Inkubation in Phosphorsäure führte zu einer Umwandlung in Monetit und Bruschit. Durch die hydrothermale Behandlung für 72 h bei 175 °C erhöhte sich die Porosität der ungesinterten Proben geringfügig von 85 % auf 88 %, während bei den gesinterten Proben ein Anstieg von 75 % auf 88 % zu beobachten war. Darüber hinaus ging eine Phasenumwandlung in CDHA durch die Bildung von feinen Kristallnadeln und -plättchen mit einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche einher. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften war besonders bemerkenswert, dass die Druckfestigkeit der ungesinterten Proben durch die Phasenumwandlung in Monetit signifikant von (0.76  0.11) auf (5.29  0.94) MPa erhöht wurde. In Kapitel 5 wurde der Einfluss von anisotrop porösen -TCP und CDHA Scaffolds sowie unstrukturierten und aus den gleichen Calciumphosphatphasen bestehenden Referenzproben auf humane Monozyten/Makrophagen untersucht. Nach der Implantation eines Biomaterials spielt die unweigerlich ausgelöste erste Immunreaktion eine Schlüsselrolle für den Erfolg eines Transplantats, wobei Immunzellen wie Neutrophile oder Makrophagen eine entscheidende Rolle spielen. Makrophagen können zur Immobilisierung und zum Abtöten von Mikroorganismen extrazelluläre Fasern (ETs) produzieren. Während in früheren Arbeiten nachgewiesen werden konnte, dass Neutrophile als Reaktion auf Biomaterialien ETs produzieren können, wurde dieser Mechanismus für Makrophagen erstmals in der vorliegenden Doktorarbeit gezeigt. Die ET-Freisetzung wurde von mineralischen Nanopartikeln ausgelöst, welche durch die Bindung von Phosphat- und Calciumionen an menschliches Thrombozytenlysat gebildet wurden. Insbesondere die Inkubation von  TCP Proben in lysathaltigem Zellkulturmedium führte zu einer ausgeprägten Partikelformierung und schließlich zu einer verstärkten Bildung von ETs. Dies ging mit einer erhöhten Freisetzung von pro-inflammatorischen Zytokinen im Vergleich zu CDHA einher. An diese Arbeit anschließende Experimente könnten beispielsweise die Wiederholung von systematischen Studien, wie sie in Kapitel 3 für Biopolymere vorgestellt wurden, mit synthetischen Polymeren wie Polyvinylalkohol (PVA) umfassen. PVA ist ein für den Einsatz als Kryoprotektor vielversprechendes Material, dessen Verwendung für die Kryokonservierung von biologischen Materialien zwingend notwendig ist. Darüber hinaus wäre die Durchführung von in vivo Experimenten erforderlich, um die starke Freisetzung von ETs durch Makrophagen als Reaktion auf strukturierte -TCP Scaffolds sowie die geringere Expression auf CDHA Scaffolds eingehender zu analysieren. KW - Freezing KW - Morphology KW - Unidirectional Freezing KW - Anisotropic structures KW - Calcium phosphate-based biomaterials KW - Macrophage extracellular traps KW - Gefrierstrukturierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277281 ER - TY - JOUR A1 - Sahiti, Floran A1 - Morbach, Caroline A1 - Cejka, Vladimir A1 - Tiffe, Theresa A1 - Wagner, Martin A1 - Eichner, Felizitas A. A1 - Gelbrich, Götz A1 - Heuschmann, Peter U. A1 - Störk, Stefan T1 - Impact of cardiovascular risk factors on myocardial work-insights from the STAAB cohort study JF - Journal of Human Hypertension N2 - Myocardial work is a new echocardiography-based diagnostic tool, which allows to quantify left ventricular performance based on pressure-strain loops, and has been validated against invasively derived pressure-volume measurements. Myocardial work is described by its components (global constructive work [GCW], global wasted work [GWW]) and indices (global work index [GWI], global work efficiency [GWE]). Applying this innovative concept, we characterized the prevalence and severity of subclinical left ventricular compromise in the general population and estimated its association with cardiovascular (CV) risk factors. Within the Characteristics and Course of Heart Failure STAges A/B and Determinants of Progression (STAAB) cohort study we comprehensively phenotyped a representative sample of the population of Würzburg, Germany, aged 30-79 years. Indices of myocardial work were determined in 1929 individuals (49.3% female, mean age 54 ± 12 years). In multivariable analysis, hypertension was associated with a mild increase in GCW, but a profound increase in GWW, resulting in higher GWI and lower GWE. All other CV risk factors were associated with lower GCW and GWI, but not with GWW. The association of hypertension and obesity with GWI was stronger in women. We conclude that traditional CV risk factors impact selectively and gender-specifically on left ventricular myocardial performance, independent of systolic blood pressure. Quantifying active systolic and diastolic compromise by derivation of myocardial work advances our understanding of pathophysiological processes in health and cardiac disease. KW - myocardial work KW - left ventricular performance KW - cardiovascular risk factors Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-271770 SN - 1476-5527 VL - 36 IS - 3 ER -